사냥꾼을 사냥하기, 미생물 간의 포식관계 역전 현상

[시리즈] 이것저것 미생물 이야기 · 실패로부터 시작된, 복어독(TTX) 생물학적 해독 연구사 30년 · 곰팡이의 자가 손상 제어 시스템, 보로닌체 Woronin body · 식물을 죽이는 작은 힘, 곰팡이의 감염전략 · 식물이 수억 년간 진화시켜온 면역 체계, PTI와 ETI · 곰팡이가 결정한 공룡의 퇴장과 포유류의 시작 — FIMS 가설 · 박테리아가 가진 플레어, OMV의 파지 교란 전략 · '아름다운' 바이러스, 튤립 파괴 바이러스 TBV · 두 얼굴을 가진 세균, Xanthomonas campestris · 곰팡이인듯, 그러나 곰팡이가 아닌 난균 Oomycete · 병원체 독성은 항상 감소하는가? 전염력-독성 상충 가설 · 플로리다 오렌지 제국의 종말, Candidatus Liberibacter · 자신으로부터 스스로를 보호하는 방법, 생물방제균 Trichoderma · 병에 걸리지 않는 무한 감자, 육종가들의 꿈 SCP-1689 · 맛있는 병원균, 문화가 된 병원균, 깜부기병 Ustilago maydis · 적의 적은 나의 친구, 미생물제초제 1987년작 영화 <프레데터> 에서는 외계 종족 프레데터가 인간을 사냥하는 사냥꾼으로 등장한다. 하지만 작품이 진행되며 사냥감이었던 더치 소령은 오히려 프레데터를 궁지로 몰아넣고, 끝내 자신이 사냥꾼이 되어 프레데터를 사냥하는 명장면을 보여주었다. -물장군이 어린 남생이를 사냥한 모습 이러한 관계 역전은 동물 사이에서도 종종 관찰되는 현상이다. 만약 포식자가 피식자보다 어린 생장 단계에 있거나, 환경 변화가 생길 경우 포식 관계가 뒤집히는 경우도 있다. 이는 미생물 사이에서도 찾아볼 수 있다. 그런데 그 양상은 더욱 극단적이다. 대부분의 미생물들은 토양 등 주변에 존재하는 유기물을 이용해 생명활동을 이어간다. 그러나 일부는 적극적으로 사냥 활동을 하며 다른 미생물을 공격해 영양원으로 이용하기도 한다. -대장균(E.coli)을 사냥하는 Mx Myxococcus xanthus(Mx)가 이러한 미생물 세계의 대표적인 포식성 세균이며, 늑대의 울프팩 전술과 비슷한 집단 사냥 모습을 가진다는 특징이 있다. -Mx의 생활사 이들은 영양이 부족한 상황에선 군집 내 세균 일부가 자실체(Fruiting body)를 만들어 포자 상태로 휴면하다가, 먹이를 감지하면 활성화되어 해당 세포를 둘러싸 와류를 형성해 움직임을 제한한다. 그리고 먹이 세포에 접촉해 분해효소를 분비해 죽인 후 사체를 섭취한다. 이후 영양분이 부족할 경우 다시 자실체 휴면 상태로 들어가는 생활사를 가진다[1]. -배지에서 자라는 Pf 집락 반면 Pseudomonas fluorescens(Pf)는 상기한 대부분의 미생물처럼 주위에 존재하는 유기물을 이용해 살아간다. -Mx를 포함한 포식성 세균들(세로)이 선호하는 먹이 세균들(가로)의 상대적 순위. 색이 짙을수록 포식성 세균들이 선호함을 의미 이 세균은 포식성 세균들이 매우 선호하는 먹이 중 하나로 알려져 Mx의 포식 메커니즘 연구에 종종 이용된다[2]. 그런데, 최근 연구에서 이 둘의 관계가 역전이 되는 현상이 발견되었다[3]. -Mx에 각 온도별로 배양한 여러 먹이 미생물을 처리한 뒤 성장 정도를 확인한 그래프. 다른 미생물 처리시에는 Mx가 온도에 관계없이 일정한 성장을 보이나 Pf를 처리 시엔 반대의 현상이 일어나기도 함 두 세균을 각각 32도에서 별도로 배양한 후, 혼합하여 관찰할 경우 Mx가 무리없이 Pf를 섭취하지만, 22도에서 배양 후 실험하는 경우 역으로 Pf가 Mx를 죽이고 시체를 영양분 삼아 성장하는 모습이 관찰되었다. 온도 하나로 포식자와 피식자가 완전히 뒤바뀐 것이다. 심지어 원래 Pf는 다른 미생물을 포식하는 모습이 일절 관찰된 적이 없던 세균이었다. 재미있는 것은 이 상호작용이 온도변화를 실시간으로 반영하지 않는다는 것이다. 상호작용 실험은 배양 온도와 별도로 실온(약 20-25도)에서 진행되었는데, 배양 온도의 차이만이 실험 결과의 차이를 불러왔다. 또한 Pf가 분비하는 물질이 다른 세균들을 광범위하게 모두 죽이는 것이 아닌, Mx를 유독 강하게 공격한다는 특징을 보였다. Mx는 산성도 변화에 민감한 특징이 있기에, 처음에는 배지의 산성도 변화를 측정해 보았으나 유의미한 변화가 보이지 않았다. 다음으로 Pf가 분비하는 물질을 95도까지 가열해 보았음에도 활성을 잃지 않았기에 단백질이 아니라는 것도 알게 되었다. 결국 이 물질은 계면활성제의 일종으로 추정되었는데, 이는 세균의 세포막 구조에 작용해 교란하는 효과가 있다. 그래서 다음 실험으로는 Mx를 포함해 세포막 구조가 다양한 세균들을 준비해 해당 물질을 처리해 보았다. 그런데 이 물질의 효과와 막 구조에 대한 연관성을 찾기는 어려웠고, 유독 Mx를 강하게 공격한다는 결과가 나왔다. 실험은 계속됐지만, 의문도 계속해서 생겨난다. 심지어 이 물질은 Pf가 Mx를 감지한 뒤 생산하는 것이 아니고, 단독배양 도중에 마치 이후 Mx를 만날 것을 알고 있다는 듯이 미리 생성한다. 그러나 해당 연구에서는 관계 역전 현상과 원인물질을 밝혔을 뿐 더 구체적으로 들어가진 못했다. 하지만 얼마 뒤 다른 연구진이 진행한 연구에서는 철을 둘러싼 경쟁 역시 Mx의 포식과 피식자의 방어에 큰 영향을 미친다는 것을 알아냈다. 이로서 철 확보 능력에 따라 두 세균 간 상호작용의 결과가 달라질 수 있다는 사실을 알게 되었고, 미생물 생태학에 대해 조금의 이해를 더하게 되었다[4]. 이렇듯 미생물 간의 상호작용에는 많은 변수가 작용하기 때문에 연구에 큰 어려움이 따른다. 그러나 이러한 연구는 그저 지적 호기심에서 끝날 일이 아니며, 응용 면에서도 중요한 의미를 가지고 있다. -비타민 C 생산 공정에 이용되는 미생물들 현대에는 여러 미생물들을 공통 배양하여 각종 원료들을 생산하는 생물공정이 발달해 있다. 가령 비타민C의 경우는 생산량의 80% 이상이 생산 도중 미생물 공배양 과정을 필수적으로 요구한다. 하지만 이 과정에서 균주 간의 예상치 못한 경쟁으로 인해 수율이 감소하는 문제가 발생하기도 한다[5]. 따라서 미생물 간의 상호작용 조건과 메커니즘을 밝히는 것은 생태학을 떠나 산업적으로도 중요한 문제이다. 언뜻 미생물이란 눈에 보이지 않을 정도로 작으니 그만큼 단순한 생활을 한다고 오해하기 쉽다. 그러나 미생물들도 생존을 위해 서로 협력하고, 경쟁하고, 심지어 천적관계를 뛰어넘어 사냥꾼을 사냥하기도 한다. 수십억 년에 걸친 진화로 묶인 이들의 관계는, 고작 수백 년의 연구로 들여다보기엔 너무 깊다. *22도에서 배양된 상층액은 다양한 농도 모두에서 사멸효과를 보여줬으나 12도 배양 상층액은 고농도 처리시에만 Mx 사멸 효과를 보임 *원 논문에 실험 사진이 없어 부득이하게 AI이미지 다수 사용 *정확한 정보는 참고문헌 참조 1. Contreras-Moreno, F. J., Pérez, J., Muñoz-Dorado, J., Moraleda-Muñoz, A., & Marcos-Torres, F. J. (2024). Myxococcus xanthus predation: an updated overview. Frontiers in Microbiology, 15, 1339696. 2. Morgan, A. D., MacLean, R. C., Hillesland, K. L., & Velicer, G. J. (2010). Comparative analysis of myxococcus predation on soil bacteria. Applied and Environmental Microbiology, 76(20), 6920–6927. 3. Vasse, M., Fiegna, F., Kriesel, B., & Velicer, G. J. (2024). Killer prey: Ecology reverses bacterial predation. PLoS Biology, 22(1), e3002454. 4. Contreras-Moreno, F. J., Moraleda-Muñoz, A., Marcos-Torres, F. J., Cuéllar, V., Soto, M. J., Pérez, J., & Muñoz-Dorado, J. (2024). Siderophores and competition for iron govern myxobacterial predation dynamics. The ISME Journal, 18(1), wrae077. 5. Wang, E. X., Ding, M. Z., Ma, Q., Dong, X. T., & Yuan, Y. J. (2016). Reorganization of a synthetic microbial consortium for one-step vitamin C fermentation. Microbial Cell Factories, 15, 21. 출처: 싱글벙글 지구촌 갤러리 [원본 보기]



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