한 지붕 세 가족, 세포 속에 공생하는 것들 ‘윈윈전략’이 진화를 가져왔다

Article at a Glance

 세포에서 에너지 대사의 핵심을 담당하는 ‘미토콘드리아’와 광합성이 이뤄지는 장소인 ‘엽록체’는 사실 세포와 독립적으로 살아가던 박테리아였다. 이들 박테리아는 수십억 년 전 세포 속에 기생하다 결국 진핵세포와 떼려야 뗄 수 없는 공생관계에 이르러 결국 ‘세포 소기구’로 자리매김했다. 특히 미토콘드리아가 진핵세포 속에 들어와 세포호흡을 하게 됨으로써 세포의 에너지 효율은 2%에서 40%로 비약적으로 도약하게됐다. 진핵세포와 박테리아, 즉 미토콘드리아는 특히 절묘한 ‘기브&테이크(Give & Take)’ 관계를 통해 동등한 동업자이자 협력자 관계를 유지하고 있다. 즉, 세포호흡에 필요한 여러 단백질 유전자 중 일부는 핵 속 유전체에, 나머지는 미토콘드리아 유전체 속에 각각 들어 있어 진핵세포와 미토콘드리아 어느 쪽도 혼자서 세포호흡을 작동시킬 수는 없는 구조다.

편집자주

흔히 기업을 살아 있는 생명체라고 합니다. 이는 곧 생명에 대한 깊은 이해가 경영에 대한 통찰로 이어질 수 있음을 뜻합니다. 30여 년 동안 ‘생명이란 무엇인가’라는 주제에 천착해 온 이일하 교수가 생명의 원리와 역사에 대한 이야기를 연재합니다. 이 시리즈를 통해 독자들이 생물학과 관련된 여러 질문들에 대한 궁금증을 풀고 기업 경영에 유익한 지혜도 얻어 가시기 바랍니다.

세포 속에는 수십억 년 전 기생하다 결국 공생하게 된 세포 소기구가 있다. 세포의 에너지 공장, 미토콘드리아와 엽록체가 그들이다. 생물체의 진화 초기에는 독립적으로 생활하는 박테리아였던 이들이 진핵세포1 1세포는 핵의 유무에 따라 진핵세포와 원핵세포로 구분이 된다. 일반적으로 고등 동식물은 진핵세포로 이뤄져 있으며 모든 박테리아는 원핵세포이다. 원핵세포에도 유전체가 있지만 이 유전체, 혹은 염색체는 핵막으로 둘러싸여 있지 않다. 때문에 세포를 염색했을 때 나타나는 핵이 현미경에서 보이지 않는다. 닫기  속에 들어와 기생하다가 그 관계가 공생의 관계로 바뀌었다. 미토콘드리아는 호기성 박테리아인 리케차의 친척이며, 엽록체는 광합성을 하는 박테리아인 남세균의 친척이다. 이들은 수십억 년을 공생하면서 세포와 특수한 동업자 관계를 형성하게 된다. 세포와 중복되게 가지고 있었던 박테리아의 유전자는 모두 버리고, 세포호흡 혹은 광합성 과정에 꼭 필요한 유전자들도 대부분 핵 속의 유전체(게놈)로 내보내 버렸다. 그렇게 간소해진 미토콘드리아와 엽록체는 스스로 생존할 수 있는 능력을 잃는 대신 자신에게 부여된 특별한 역할, 즉 산소호흡과 광합성 분야의 전문가가 됐다. 이러한 특별한 동업자 관계의 형성은 ‘윈윈’ 전략으로 오늘과 같은 다양한 생명체를 진화시킨 혁명적 사건이 됐다.

세포 속에 공생하는 또 다른 세포

세포의 파워 플랜트 역할을 하는 미토콘드리아와 엽록체가 사실은 독립적으로 살아가던 박테리아였고, 이들이 세포 내에 들어와 공생하게 된 세포 소기구라는 획기적 아이디어가 학술적으로 처음 제기된 건 비교적 최근이다. 1967년 천재적인 과학자로 훗날 명성을 날리게 된 린 마굴리스라는 여성 과학자가 처음으로 학술 논문으로 발표했다.

마굴리스 여사는 현미경으로 세포 속을 들여다보던 중 이상하게도 미토콘드리아와 엽록체는 두 개의 막으로 둘러싸여 있다는 사실에 주목했다. 다른 일반적인 세포 소기구들은 한 층의 막을 가지고 있는데 왜 미토콘드리아와 엽록체는 두 개의 층으로 둘러싸여 있을까? 다른 세포생물학자들은 별로 이상하게 생각지 않았던 사실을 마굴리스는 별다르게 생각했다. 오랜 세포 관찰을 통해 그녀는 미토콘드리아와 엽록체가 진핵세포가 식세포 작용을 통해 잡아먹은 미생물이며 이것이 진핵세포 내에 머물면서 공생하게 된 것이라는 아이디어를 얻게 된다. 이를 세포 내 공생설(endosymbiosis)이라 한다.

이 가설은 워낙 획기적인 아이디어, 정확히는 엉뚱한 아이디어였기 때문에 마굴리스 여사가 논문으로 발표하는 데 많은 애를 먹었다. 유수한 저널 여기저기에 투고했지만 번번이 퇴짜를 맞았고, 결국 별로 이름 없는 저널인 <이론생물학회지>에 간신히 실리게 된다. 돌이켜 생각해보면 마굴리스 여사가 당시 과학계에 초년병으로 이름이 거의 알려져 있지 않았고, 세포 내 공생설을 뒷받침하는 데이터 또한 모든 과학자들을 단숨에 납득시키는 데이터라고 보기 어려워 어려움을겪었을 것이다.

처음 가설이 제기됐을 때 진화 공상소설쯤으로 여겨지던 세포 내 공생설은 곧 이를 지지하는 많은 실험적 증거들이 쏟아지기 시작했다. 많은 미생물들이 식세포 작용을 통해 진핵세포 속에 들어가서 한동안 공생을 하며 살아간다는 증거들이 발견됐고, 심지어 이러한 공생은 단세포인 원생생물에서만 나타나는 것이 아니라 말미잘처럼 큰 동물에서도 나타난다는 사실이 알려지면서 진화과정에서 흔히 일어나는 현상이라는 사실이 드러났다. 더구나 최근에는 유전체 수준에서 생물종들을 서로 비교할 수 있게 됨으로써 유전체의 유사성으로 봤을 때 미토콘드리아의 조상이 리케차라는 호기성 박테리아와 친척종이며, 엽록체의 조상은 남세균이라는 광합성 박테리아와 친척종이라는 사실까지 밝혀졌다.

결국 마굴리스 여사는 세포 내 공생설 외에 뚜렷한 업적이 없었지만 젊은 시절의 뛰어난 발견으로 과학자들에게 명예로 여겨지는 미국 학술원 회원으로 선정됐다. 또한 그녀의 가설은 1980년대 이후 생물학 교과서에 실리는 중요한 생물학적 개념의 하나가 됐다. 그녀는 이후 연구보다는 대중 과학서적을 집필하는 데 노력을 기울여서 불후의 명저 중 하나인 <생명이란 무엇인가(What is Life)>라는 책을 포함해 다수의 책을 발간하게 된다. <코스모스>의 저자로 유명한 천문학자 칼 세이건 교수와 결혼해 낳은 아들 도리슨 세이건과 다수의 교양과학 서적을 공동으로 집필하기도 했다.