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고균을 끈질기게 쫒아온 천적: 고균바이러스
고균(고세균, Archaea)은 박테리아와 비슷하게 생겨 동일하거나 친척으로 혼동하는 경우가 잦다 실제로 연구 초기에는 박테리아로 오해되기도 했지만 1977년 칼 후스가 생물 분류의 가장 큰 단위인 역 단위에서부터 갈라지는 전혀 다른 생물군이란 것을 밝혀냈다 둘은 형태를 제외하면 세포 구조와 대사 방식 등 모든 것이 다르며, 오히려 유전적으로는 고균과 인간 쪽이 더 가까운 편이다 일부 고균은 인간의 장과 같은 상대적으로 평범한 환경에서 발견되기도 하지만 대부분은 펄펄 끓는 온천이나 산성 호수 등 극한의 환경에서 발견된다 그 이유는 실온 환경에서 펼쳐진 박테리아와의 경쟁에서 밀려났기 때문이라고 추측된다 가혹한 환경으로 밀려날 당시에는 수많은 고균들이 죽어 나갔겠지만, 적응을 완료한 지금은 오히려 그 환경이 자연 방벽이 되어 다른 생명체와 경쟁할 필요한 적은 안정적인 서식지를 가지게 되었다 그러나 이런 곳까지 질리도록 따라온 천적이 있었으니 바로 고균바이러스Archael virus다 -산성 온천에서 고균을 감염시키는 고균바이러스 최초로 고균바이러스를 발견한 것은 1974년으로, 박테리아 바이러스와 같이 파지Phage라는 용어를 사용했다 그러나 둘의 차이가 알려진 후로는 고균바이러스에 있어 파지라는 단어를 사용하는 것이 지양되고 있다 [1] ※고세균 또한 이전 명칭인 Archaebacteria를 직역한 것으로, Archaea의 번역명으로 고균을 사용하는 것이 권장됨 하술할 연구의 난점 때문에 고균바이러스에 대해 알려진 것은 매우 적지만, 그럼에도 몇 가지 주목할 만한 특성이 알려졌다 -고균바이러스의 여러 형태 우선적으로 돋보이는 건 형태적 특징이다 고균과 박테리아가 외형이 매우 유사한 것과 대조적으로, 그 바이러스들은 상당한 외양 차이를 보인다 파지는 대부분 머리-꼬리 구조를 가지지만 고균바이러스는 막대, 병, 레몬(방추형) 등 다양한 형태를 가진다 그 중 레몬(spindle-shaped virus)형태는 파지나 진핵생물 바이러스에서 발견되지 않는 고균바이러스만의 특징으로, 바이러스의 조상과 연관이 있을 것으로 추측되고 있다 [2] -비카우다바이러스의 형태와 숙주 부착 방식. 숙주를 감지하면 두 꼬리를 이용해 표면을 감싸안듯이 부착한다 고균바이러스 중 일부 비카우다바이러스Bicaudavirus는 양 옆으로 돌출된 꼬리를 가진 것이 특징인데, 이것으로 숙주세포 감지 범위를 넓힐 수 있다 그 외형만으로 이미 눈길을 끌지만, 더 특이한 점은 저 꼬리가 ’숙주세포 외부’ 에서 독자적으로 만들어진다는 것이다 -비카우다바이러스의 생활 주기. a-c: 감염 및 방출, d-h: 세포 외에서 꼬리 발달 갓 숙주세포에서 방출된 상태의 비카우다바이러스는 꼬리가 없이 레몬형의 몸통만 존재한다 그러나 주위 온도가 75도 이상으로 올라가면 독자적으로 꼬리를 만들어 낸다 이는 바이러스가 숙주세포 외에서 활동을 하는 유일한 사례이며 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않았다 다만 스스로 에너지를 생산해 일어나는 작용은 아니며, 세포에서 방출될 때 가져온 일부 ATP를 이용해 꼬리를 만든다는 추측이 존재한다 [3] -숙주 박테리아를 터뜨리고 탈출하는 박테리오파지 다른 특징으로는 숙주세포를 죽이지 않고 증식하는 지속감염Persistent infection의 형태가 대부분이라는 것이다 [4] 대부분의 바이러스는 복제를 마치고 세포용해를 통한 탈출로 숙주를 죽이는 경우가 많다 -진핵생물 바이러스의 출아 모델 -숙주 고균을 죽이지 않고 빠져나가는 고균바이러스 그러나 고균바이러스는 숙주를 살려 둔 채 출아budding의 형태로 탈출하며 바이러스를 지속적으로 생산하게 만드는 경우가 일반적이다 극히 드물게 숙주 고균에게 환경 저항성을 올려주는 등 공생에 가까운 형태도 있기는 하지만, 대부분은 숙주를 개조해 죽지 않을 정도로만 살려둔다 지속감염은 진핵생물 바이러스에서 종종 보이는 감염 형태지만 원핵생물에 있어서는 굉장히 드물었는데, 오히려 고균바이러스는 대부분이 이 감염방식을 취한다는 것이 밝혀졌다 이 상태에서 숙주의 성장은 비감염시보다 느려지지만 정상적으로 이루어지고, 바이러스의 방출량도 폭발적이진 않으나 장기적으로 보면 숙주를 용해시키는 것보다 높은 수율을 얻을 수 있다 -고균의 세포막과 박테리아 및 진핵생물의 세포막 차이 이런 방식을 택한 이유로는 우선 박테리아와 고균의 세포막 성분과 구조가 달라 숙주 탈출을 위해 별개의 기작을 필요로 한다는 점이 있다 또 다른 이유로는 극한환경의 특성상 주변 세포 밀도가 낮아 섣불리 세포를 죽이고 나갔다간 다른 숙주를 찾기 어렵다는 점 때문으로 추측한다 [4,5] -고균바이러스 연구사 2022년 기준 식별된 고균바이러스는 135종에 불과하다 박테리오파지가 8천여 종, 진핵생물 바이러스가 4천여 종 이상 식별된 것에 비하면 새발의 피 수준인 셈이다 심지어 진핵생물 중 극히 일부에 해당하는 인간 감염 바이러스가 270종인데 그 절반밖에 되지 않는다 비교적 늦은 1974년에 발견된 것을 감안하고도 매우 적은 연구가 이루어졌는데, 그에 대해 몇 가지 이유가 존재한다 우선 고균바이러스 유전자는 75-85%가 다른 바이러스나 생명체와 전혀 관련 없는 고유한 단백질을 인코딩한다 그 때문에 기존 유전자 데이터베이스에 등록된 서열을 이용한 비교 연구가 어려워 일일이 기초부터 연구를 진행해야 한다 [6] 고균바이러스는 극한의 환경에서 유전자를 안정적으로 편집할 수 있다는 점에서 유전공학적 연구 가치가 있지만, 연구가 더딘 이유가 바로 그 극한환경 때문이기도 하다 -박테리오파지 분리 실험의 일부. 첫 단계에서 숙주에 바이러스를 감염시키는 과정이 필요하다 원활한 바이러스 연구를 위해서는 우선 배양을 해야 되는데, 바이러스는 스스로 증식할 수 없으니 숙주 세포를 먼저 배양한 후 바이러스에 감염시키는 전처리 과정이 필요하다 문제는 실험실 환경에서 숙주인 고균 배양을 위한 극한환경 조성이 기술적으로 쉽지 않아 첫 단추부터 난관인 상황이다 어떻게든 고균을 배양하고 감염시키는 것까지는 성공했다고 쳐도, 전술했듯 바이러스가 스스로 터져 나오는 것이 아니고 세포 내에 계속 존재하기 때문에 둘을 따로 분리해 내는 번거로운 과정이 추가로 필요하다 [4] 외적으로는 연구비 지급 순위도 중요한 이유로 꼽을 수 있다 고균바이러스 연구는 고균 연구와 상호작용해야 원활히 진행될 수 있다 그러나 문제는 고균이 너무 온순하기 때문에 그 단계부터 연구의 우선순위에서 밀린다는 것이다 고균은 인간을 포함한 동식물뿐 아니라 다른 어떤 생물에게도 병원성을 가지지 않는다 박테리아나 바이러스의 경우는 당장 인간에게 눈에 보이는 피해를 주니 예산 분배에 있어서도 최우선에 위치하지만 고균 분야는 그렇지 않다 요크대 생물학과에서 고균을 연구하는 미생물학자인 제임스 총 교수는 2017년 투고한 사설에서 “고균이 비병원성이란 점은 자금 지원 신청서를 작성할 때 항상 큰 단점이 된다. 누가 아무것도 죽이지 않는 미생물에 대한 연구에 자금을 지원하려고 할까?” 라며 농담 섞인 한탄을 한 적도 있을 정도다 -진화학, 병리학, 환경학 등 다양한 고균바이러스 연구 분야 -충북대의 질소순환 관련 고균바이러스 연구 여러 어려움으로 인해 고균바이러스 연구는 연구자들조차 걸음마 단계임을 인정하며 실제 산업적 이용에 이르기까지는 많은 시간을 필요로 한다고 여겨진다 [7] 다만 충분한 토양만 다져진다면 다방면의 연구 거리가 산재해 있기에 기후변화, 유전공학 등 여러 분야에 응용될 수 있을 전망이다 1. Abedon, Stephen T, and Kelly L Murray. “Archaeal viruses, not archaeal phages: an archaeological dig.” Archaea (Vancouver, B.C.) vol. 2013 (2013): 251245. 2. Wang, Fengbin et al. “Spindle-shaped archaeal viruses evolved from rod-shaped ancestors to package a larger genome.” Cell vol. 185,8 (2022): 1297-1307.e11 3. Uldahl, Kristine B et al. “Life Cycle Characterization of Sulfolobus Monocaudavirus 1, an Extremophilic Spindle-Shaped Virus with Extracellular Tail Development.” Journal of virology vol. 90,12 5693-5699. 27 May. 2016, 4. Kuiper, Bastiaan P et al. “Archaeal virus entry and egress.” microLife vol. 5 uqad048. 3 Jan. 2024, 5. Quemin, Emmanuelle R J et al. “Eukaryotic-Like Virus Budding in Archaea.” mBio vol. 7,5 e01439-16. 13 Sep. 2016 6.Krupovic, Mart et al. “Viruses of archaea: Structural, functional, environmental and evolutionary genomics.” Virus research vol. 244 (2018): 181-193 7. Wirth, Jennifer, and Mark Young. “The intriguing world of archaeal viruses.” PLoS pathogens vol. 16,8 e1008574. 13 Aug. 2020,
작성자 : ㅇㅇ고정닉
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