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생명체가 살 수 있는 온도의 최고점은 어디일까?
60도 이상 고온의 환경에서 생활하는 생명체를 고온성 생물(Thermophile), 그 중에서도 80도 이상의 환경에서 생활하는 생명체를 초고온성 생물(Hyperthermophile)로 부른다 1960년대까지 생물학자들이 여기던 생물의 생존 온도 상한선은 약 55도였다 그러나 1969년 토마스 브록이 75도의 옐로스톤 간헐천에서 Thermus aquaticus를 발견하며 기록을 갱신했다 이 박테리아에서 발견된 Taq polymerase로 인해 분자생물학을 획기적으로 발전시킨 중합효소 연쇄반응(PCR)이 발명될 수 있었다 이에 또 무언가 써먹을게 나오지 않을까 하며 궁금해하던 미생물학자들의 후속 발견들로 상한선은 점차 올라갔다 그 결과 현재 초고온생물 중 최고 온도를 찍은 것은 캘리포니아 만 2천미터 깊이의 열수구에서 처음 발견된 메탄생성 고균 Methanopyrus kandleri(strain116)이다 2008년 두 후보군인 Geogemma barossii(strain 121)와 Methanopyrus kandleri(strain 116)을 두고 타이틀 매치 실험을 벌인 결과, strain 121은 40기압 122도에서 분열 한계가 왔고 130도에서 2시간을 버티고 사멸했다 그러나 strain 116은 400기압 123도까지 분열할 수 있었고 130도에서 3시간을 버텼다 이로서 1도 차이로 최고의 초고온생물 자리는 Methanopyrus kandleri가 가져가게 되었다 생물학 실험실에서 사용하는 멸균 장비인 오토클레이브가 121도에 맞추어져 있는데 이 미생물은 오히려 그 온도에서 분열한다는 것이다 다만 고온의 환경에 적응한 만큼 생존온도의 하한선도 매우 높은데, 85도 이하가 되면 활동을 정지하고 '동면'에 들어간다 M.kandleri는 고온 고압의 극한 환경에서 서식하는 터라 주변의 다른 생명체에게서 얻을 수 있는 수평 획득 유전자가 매우 적다 그 때문에 가장 원시적인 형태로 여겨지는 테르페노이드 지질 세포막을 가지고 있다 일반적으로 단백질은 열에 취약하며 인간의 경우는 40도만 넘어도 변성되어 생명이 위험하다 그러나 이 고균의 세포질에는 효소 cyclic 2,3-diphosphoglycerate(cDPG) 농도가 매우 높은데 그로 인해 높은 열 안정성을 지닌다 cDPG는 초고온미생물 일부가 공통으로 가지고 있으며 온도가 높아질수록 효소의 농도가 높아지는 현상을 보인다 이 효소를 이용하면 고온에서 변질되기 쉬운 백신 등을 개량할 수 있다고 보고 연구가 진행되고 있다 고온의 환경에서는 DNA의 오류와 손상이 발생하기 쉽다 그에 따라 이 고균은 DNA 수복 기능도 갖추고 있다 DNA 복구 효소 중 Topoisomerase는 DNA의 꼬임과 풀림에 관여한다 이 고균은 그동안 다른 생명체들로부터 발견되었던 I~IV형과 전혀 다른 V형의 Topoisomerase를 가지고 있어 항암제 연구자들의 관심을 끌고 있다 이 고균은 의학뿐 아니라 다양한 분야에서 주목받고 있다 환경 분야에서는 메탄생성균이란 점을 주목하여 탄소 순환의 한 고리를 담당한다고 보고 연구를 진행하고 있다 산업 분야에서도 흥미를 가지고 연구하고 있다 미생물을 이용해 제품을 생산하는 생물 공정은 전처리 과정에서 고열이 동반되는 경우가 많은데, 주로 사용하는 미생물들은 실온에 최적화되어 식혀 주는 과정에서 많은 금전적 시간적 손실이 발생한다 만약 초고온미생물의 유전자와 효소를 이용할 수 있다면 그 과정이 생략되거나 단축될 수 있으며 덤으로 다른 미생물의 오염도 자동적으로 막을 수 있는 장점이 있다 생물학자들은 생명체가 존재할 수 있는 최고 온도를 140-150도 정도로 예상하고 있다 모든 생명체의 에너지원인 ATP를 포함한 생명체의 필수 분자들이 그 정도의 온도에서 파괴되기 때문이다 그렇기에 Methanopyrus kandleri보다 고온에서 생활하는 미생물이 존재할 확률은 매우 높다고 볼 수 있다 어쩌면 우리가 생각지도 못한 특이한 구조와 성분을 이용해 저 온도보다 높은 환경에서 서식하는 미생물이 존재할지도 모른다 Takai, K., Nakamura, K., Toki, T., Tsunogai, U., Miyazaki, M., Miyazaki, J., Hirayama, H., Nakagawa, S., Nunoura, T., & Horikoshi, K. (2008). Cell proliferation at 122 degrees C and isotopically heavy CH4 production by a hyperthermophilic methanogen under high-pressure cultivation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(31), 10949–10954. Amy Osterman, Alfonso Mondragón (2022) Structures of topoisomerase V in complex with DNA reveal unusual DNA-binding mode and novel relaxation mechanism eLife 11:e72702. De Rose, S. A., Isupov, M. N., Worthy, H. L., Stracke, C., Harmer, N. J., Siebers, B., Littlechild, J. A., & HotSolute consortium (2023). Structural characterization of a novel cyclic 2,3-diphosphoglycerate synthetase involved in extremolyte production in the archaeon Methanothermus fervidus. Frontiers in microbiology, 14, 1267570. https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2019.00780/full Vieille, C., & Zeikus, G. J. (2001). Hyperthermophilic enzymes: sources, uses, and molecular mechanisms for thermostability. Microbiology and molecular biology reviews : MMBR, 65(1), 1–43. Amy Osterman, Alfonso Mondragón (2022) Structures of topoisomerase V in complex with DNA reveal unusual DNA-binding mode and novel relaxation mechanism eLife 11:e727
작성자 : ㅇㅇ고정닉
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