일본 연구진, 진핵생물과 가장 가까운 고세균 첫 배양…세포핵은 없었다

지구상의 모든 동물, 식물, 균류와 가장 가까운 살아있는 친척이 일본의 한 실험실에서 자라고 있다. 그 모습은 많은 생물학자들이 상상해온 조상과 전혀 다르다. 해양연구개발기구(JAMSTEC) 연구팀은 복잡한 세포가 출현한 것으로 추정되는 단세포 고세균 그룹인 하임달고세균(Heimdallarchaeia)의 최초 순수 배양에 성공했다. 세포 내부는 단순하다. 핵도 없고, 내부 구획도 없으며, 우리 세포를 정의하는 소기관과 비슷한 것은 아무것도 없다.

놀라운 점은 바깥쪽에 있다. 각 세포는 길고 갈라진 가지를 뻗어 함께 살아야만 하는 파트너 미생물을 붙잡으며, 산소를 처리하는 유전자를 지니고 있음에도 불구하고 산소에 노출되면 세포가 병들어 간다. 이러한 특성들은 함께 우리의 가장 깊은 단세포 조상을 느리고 산소를 싫어하며 공생으로 살아가는 미생물로 그려내며, 그것이 결국 되었을 복잡한 세포의 축소판이 아님을 보여준다.

이 발견은 생물학의 가장 오래된 질문 중 하나, 즉 핵이 없는 단순한 세포가 어떻게 모든 인간의 몸을 구성하는 정교한 진핵세포로 변했는지에 대한 답을 제시한다. 주요 가설은 고세균 세포가 박테리아와 긴밀한 공생 관계를 형성했고, 그 박테리아가 결국 삼켜져 세포 내 발전소인 미토콘드리아가 되었다는 것이다. 어떤 고세균 계통이 숙주 역할을 했으며 그것이 어떤 모습이었는지는 수년간 주로 진흙과 해수에서 추출한 DNA 단편을 바탕으로 논쟁되어 왔다.

하임달고세균은 그 논쟁의 중심에 있다. 이들은 프로메테오고세균문(Promethearchaeota), 더 잘 알려진 옛 이름으로는 아스가르드 고세균(Asgard archaea)에 속하며, 유전자 계통수는 이들을 진핵생물에 가장 가까운 고세균 가지로 위치시킨다. 지금까지 아무도 살아있는 개체를 가까이서 본 적이 없었기 때문에, 이들이 이미 복잡한 내부 구조를 가지고 있거나 우리처럼 산소를 호흡할 수 있다는 제안은 오로지 유전체 판독에만 근거한 것이었다.

배양 방법

이 미생물들은 특이한 장소에서 유래했다. 도쿄 동쪽 지바현 보소반도의 천연가스정 내부를 코팅한 생물막(biofilm)이다. 염분이 많고 메탄이 풍부한 지하수가 그곳에서 솟아올라 주기적으로 작은 간헐천처럼 분출하므로, 그 막은 정기적으로 공기에 노출된다. 연구팀은 의도적으로 이 장소를 선택했으며, 산소와 관련된 역사를 가진 진핵생물의 친척들을 잡기를 희망했다.

배양에는 3년이 걸렸다. 연구자들은 배양액에 카사미노산, 펩톤, 분유를 포함한 소량의 단백질이 풍부한 먹이를 공급하고, 여러 차례 항생제를 사용하여 경쟁 박테리아를 죽인 후 생존자들을 새로운 배지로 계속 옮겼다. 그 결과 HC1과 SC1이라는 두 균주가 얻어졌다. HC1은 현재 단일 메탄 생성 파트너 미생물과 안정적인 쌍을 이루어 살고 있으며, SC1은 두 개의 그러한 파트너와 함께 삼중으로 살고 있다.

이들은 빠르게 자라는 미생물이 아니다. HC1은 대략 일주일 이상이 지나야 두 배로 늘어나고, SC1은 2~3주가 걸린다. 대장균(E. coli)과 같은 장내 박테리아는 약 20분 만에 두 배로 늘어날 수 있다. 연구팀은 이후 주사전자현미경과 투과전자현미경, 냉동 세포를 3D로 재구성하는 극저온 전자단층촬영, 형광 표지법으로 세포를 조사했고, 두 유전체를 시퀀싱하여 각각 791만 개와 675만 개의 DNA 염기로 구성되어 있음을 확인했다.

단순한 내부, 바쁜 외부

수십 장의 전자현미경 사진에서 두 균주 모두 진핵세포의 특징인 영구적인 내부 막을 보여주지 않았다. 일부 세포에는 생겼다 사라지는 작은 방울 같은 구조물이 있었지만, 핵, 소포체, 그리고 세포생물학자가 소기관이라고 부를 만한 것은 전혀 없었다. 세포는 일반 미생물처럼 둘로 분열한다.

세포 표면은 다른 이야기를 들려주었다. 성장 단계 후, 대부분의 세포는 두께 약 370나노미터의 여러 개의 가지를 뻗었으며, 이 가지들은 갈라지고 부풀어 올랐다. 이 가지들은 종종 세포체 자체보다 더 많은 부피를 차지했는데, 평균적으로 약 1.4배였다. 가지들은 우리 세포에 형태를 부여하는 단백질인 액틴(actin)과 유사한 필라멘트로 엮여 있었고, 물리적으로 파트너 미생물에 달라붙었다. 분열 중인 세포에는 가지가 전혀 없었다.

그 공생 관계는 선택 사항이 아니다. 두 균주 모두 단백질 조각을 분해하고 노폐물로 수소를 방출하는데, 파트너가 그 수소를 계속 제거해주지 않으면 이 반응은 중단된다. 연구자들이 메탄 생성 파트너를 억제제로 차단했을 때, 고세균은 완전히 성장을 멈췄다.

또 한 가지 특성이 연구팀의 관심을 끌었다. HC1이 더 많은 먹이를 얻었을 때, 분열 속도는 빨라지지 않았다. 대신 세포가 더 커지고 더 많은 가지를 뻗었다. 약 15,000개 세포의 광범위한 이미징 결과 세포당 가지가 더 크고 많아졌으며, 세포당 단백질은 66펨토그램에서 226펨토그램으로 증가했다. 전형적인 박테리아와 고세균은 여분의 에너지를 번식에 쏟아붓는다. 크기와 번식 사이의 균형을 맞추는 것은, 저자들이 지적하듯이, 진핵생물이 하는 일이다.

산소 퍼즐

HC1은 말단 산화효소(terminal oxidase) 유전자를 가지고 있는데, 이 효소는 동물에서 에너지를 얻기 위해 산소를 태우는 사슬의 끝에 위치한다. 일부 연구자들은 하임달고세균 DNA에서 유사한 유전자를 진핵생물의 조상이 이미 산소를 호흡했다는 신호로 읽어왔다. 그러나 배양 결과는 그 반대를 말한다. 미량의 산소 또는 1% 산소 대기를 추가했을 때 HC1의 세포 수는 약 100분의 1로 감소했다.

HC1은 도움을 받아야만 산소에서 생존할 수 있었다. 원래 농화배양에서 분리된 산소 소비 박테리아를 배양액에 추가했을 때, HC1은 낮은 수준의 산소에서도 성장했지만 이전보다 더 많은 세포를 생산하지는 않았다. 또한 그 유전체에는 음식물에서 산소로 전자를 보내는 데 필요한 기계 장치가 없다. 연구팀은 산화효소가 다른 절대혐기성 생물에서와 마찬가지로 방어 기제로 작용하여 산소를 제거한다고 결론지었다. 철 관련 산소 손상을 제한하는 단백질인 페리틴(ferritin)은 HC1에서 가장 많이 발현된 세 가지 단백질 중 하나였다.

유전체 전체를 대상으로 한 테스트도 같은 방향을 가리켰다. 연구자들은 산소가 필요한 유기체와 산소를 피하는 유기체를 구별하는 효소에 대해 분류기를 훈련시켰고, 이 분류기는 알려진 미생물을 약 95%의 정확도로 올바르게 분류했다. 아스가르드 문 전체에 적용했을 때, 이 분류기는 산화효소 유전자의 유무와 관계없이 이 그룹을 광범위한 혐기성 그룹으로 지목했다.

이는 산소-독성(Ox-Tox) 모델로 알려진 아이디어와 일치한다. 미토콘드리아가 된 박테리아는 세포의 에너지 공급자가 되기 오래 전에, 먼저 고세균 숙주에게 독성이었던 산소를 흡수함으로써 그 자리를 얻었다는 것이다.

해결되지 않은 점

이 미생물들은 조상 자체가 아니라 조상의 사촌이다. 이들은 우리와 마찬가지로 진화할 시간이 있었으며, 대부분의 추정에 따르면 약 20억 년이다. 오늘날 보이는 어떤 특성도 그 과정에서 얻어지거나 상실되었을 수 있다. 연구팀 자체 분석에 따르면 산소 처리 유전자는 관련 그룹 사이에서 수평적으로 이동했으며, 따라서 조상이 이 유전자를 가지고 있었는지 여부는 여전히 미해결 과제로 남아 있다.

표본도 작다. 이 계통의 가지에서 현미경으로 조사된 균주는 HC1, SC1, 그리고 다른 그룹이 이전에 보고한 농화배양체 단 세 가지뿐이다. 세 가지 모두 소기관이 부족하지만, 이렇게 다양한 계통에는 더 정교한 내부를 가진 구성원이 포함될 수 있다. 일부 세포에서 가끔 보이는 내부 방울은 아직 설명이 없으며, 저자들은 이를 원시 소기관도 인공물도 아니라 부른다.

실험실 조건도 중요하다. 세포를 이미징을 위해 화학적으로 고정했을 때 세포 모양이 변했고, 가지는 떨어지는 경향이 있었다. 이는 저자들이 보존된 표본에서 형태를 읽는 것에 대해 스스로 경고하는 사항이다. 배양체는 고세균이 단독으로 자랄 수 없기 때문에 단일 종 배양체가 아니라 파트너와의 순수한 쌍 및 삼중 배양체이다.

이제 실험에 열린 계통

JAMSTEC 그룹은 2020년에 심해 퇴적물에서 더 넓은 아스가르드 그룹의 첫 번째 구성원인 MK-D1 균주를 배양하여 보고했다. 2023년에는 비엔나의 한 팀이 유사한 가지를 가진 두 번째 균주인 로키고세균 오시페룸(Lokiarchaeum ossiferum)을 보고했다. 새로운 균주는 진핵생물에 가장 가까운 가지에 속하며, MK-D1보다 더 빨리 자라고 더 큰 세포를 가지고 있어 연구하기가 훨씬 쉽다.

연구팀은 두 균주에 이름을 제안했다. HC1은 미토콘드리아가 포획된 박테리아에서 시작되었다는 이론을 옹호한 생물학자 린 마굴리스(Lynn Margulis)의 성을 딴 ‘칸디다투스 마르굴리스고세균 펩티디필룸(Candidatus Margulisarchaeum peptidiphilum)’, SC1은 ‘칸디다투스 플렉스고세균 멀티프로트루시오눔(Candidatus Flexarchaeum multiprotrusionum)’이다.

복잡한 생명체 뒤에 있는 고세균에 대한 일반적인 질문

아스가르드 고세균이란 무엇인가?

아스가르드 고세균(현재 공식 명칭은 프로메테오고세균)은 환경 DNA에서 처음 확인된 단세포 미생물 그룹으로, 북유럽 신화에서 이름을 따왔다. 이들의 유전체는 한때 진핵생물에만 고유하다고 여겨졌던 많은 유전자를 가지고 있으며, 이것이 이들이 복잡한 세포가 유래한 계통으로 간주되는 이유이다.

인간이 고세균에서 진화했는가?

깊은 의미에서 그렇다. 주요 모델에 따르면 최초의 진핵세포는 오늘날의 하임달고세균과 관련된 고세균이 미토콘드리아가 된 박테리아와 공생하면서 형성되었다. 모든 동물, 식물, 균류는 그 융합된 세포의 후손이다.

하임달고세균은 핵을 가지고 있는가?

아니다. 배양된 HC1과 SC1 균주는 핵도 영구적인 내부 막도 없다. 이들의 복잡성은 파트너 미생물에 연결되는 긴 가지 형태의 외부에 있다.

이 고세균은 산소와 함께 살 수 있는가?

거의 불가능하다. 이들은 혐기성이며 미량의 산소에도 세포 수가 약 100분의 1로 감소하지만, 한 균주는 산소를 먹는 박테리아가 배양액을 공유할 때 낮은 수준의 산소에서 생존했다.

이 연구는 2026년 10월 28일 네이처(Nature)에 게재되었으며, 2025년 2월에 사전 인쇄본으로 처음 발표되었다. JAMSTEC은 이제 두 균주가 실험 모델로 사용될 것이라며, 연구팀은 세포 구조와 파트너 미생물에 결합하는 방식을 연구하여 외부에 가지를 가진 고세균 세포가 어떻게 내부에 핵을 구축하게 되었는지 추적할 것이라고 밝혔다.

참고문헌: Imachi, Nobu et al., “Eukaryotes’ closest relatives are internally simple syntrophic peptidotrophic archaea,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11170-7

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