존재하지 않았던 세포

하기노 교코는 일본 고치 출신의 해조류 과학자입니다. 존 제어와 마찬가지로 그녀의 이야기도 1990년대 후반, 그녀의 진로를 바꾼 미생물에서 시작되었습니다. 그녀는 고생물학 연구팀의 일원으로, 해저에 있는 미세한 해조류 화석을 연구하여 지구의 과거 기후에 대한 정보를 종합하는 작업을 했습니다.

그녀가 조사한 수많은 미세 화석 중에서 유독 그녀의 마음을 사로잡은 것이 하나 있었다. 그것은 브라루 도스파에라 비겔로위(Braarudosphaera bigelowii) 라는 조류의 일종이었다. 하기노는 그것을 애정 어린 마음으로 그냥 비겔로위라고 불렀다.

빅엘로위는 생애의 특정 시기에 아름다운 기하학적 모양의 껍데기로 자신을 감싸는데, 하기노는 자신이 채집한 표본 곳곳에서 이러한 오각형 골격을 발견했습니다. "처음 빅엘로위를 봤을 때, 그 모양이 너무 아름답다고 생각했어요."라고 그녀는 말했습니다. "마치 보석처럼 아름다운 모양을 하고 있죠."

하지만 그 안에 사는 조류에 대해서는 아무도 제대로 아는 것이 없었다. 하기노는 바로 그 조류를 연구하고 싶어 했다. 그러나 다른 사람들은 그녀의 흥미를 이해하지 못하는 것 같았다.

"처음 연구를 시작했을 때 당시 상사가 반대했어요."라고 그녀는 말했다. "[상사는] 아무도 읽지 않는 연구를 하더라도 취업에는 도움이 안 될 거라고 했어요."

당시 하기노는 대학에서 자리를 구하는 데 어려움을 겪고 있었다. 어린 자녀들을 돌봐야 했고, 남편이 일자리를 구한 새로운 도시로 이사까지 해야 했다. 삶의 모든 상황이 그녀에게 공부를 포기하고 다른 분야를 찾아보라고 재촉하는 듯했다. 하지만 하기노는 그럴 수 없었다. 무슨 이유에서인지, 그녀는 이 조류에 완전히 매료되었고, 그것에 대해 모든 것을 배우고 싶었다. 비록 혼자 연구해야 할지라도 말이다.

그래서 하기노와 그녀의 딸은 이 찾기 힘든 해조류를 발견할 희망을 품고 해변으로 여행을 떠나 바닷물 샘플을 채취하기 시작했습니다. 수년에 걸쳐 그들은 수백 번의 여행을 했습니다. 너무 자주 다녀서 딸은 사람들이 수영 같은 다른 이유로 해변에 간다는 사실조차 몰랐습니다.

“‘바다는 바닷물을 길어오는 곳 아닌가요?’” 하기노는 딸이 이렇게 말했다고 전했다.

하기노는 집에서 현미경으로 빅겔로위 세포를 찾아 하나하나 분리하는 데 몇 시간씩이나 시간을 보냈습니다. 엄청나게 시간이 많이 걸리는 작업이었지만, 당시에는 빅겔로위 세포를 연구할 수 있는 거의 유일한 방법이었습니다. 아무리 애를 써도 세포는 시험관에서 자라지 않았습니다.

하기노는 수년간 대학에서 받는 급여 없이 배양 연구에 매진했습니다. 생계를 유지하기 위해 연구실에서 시험관을 씻는 아르바이트를 하기도 했습니다. 그러던 어느 날, 그곳의 과학자 한 명과 이야기를 나누던 중 그가 배양액에 특이한 재료를 추가해 보라고 제안했습니다. 그것은 화학 물질이나 실험실에서 흔히 볼 수 있는 것이 아니었습니다. 바로 일본 전통 김국수인 토코로텐이었습니다.

하기노는 놀랍게도 그 국수가 비겔로위에게 꼭 필요한 것이었다.

"저는 빅엘로위가 헤엄치는 모습을 보았고, 개체 수가 늘어나는 것을 봤어요."라고 그녀는 말했다. "정말 기뻤어요."

배양에 성공한 그녀는 마침내 이 생물에 대한 중요한 질문들에 답할 만큼 충분한 세포를 배양할 수 있게 되었다. 하기노의 마음속에는 가장 중요한 질문 하나가 자리 잡고 있었다. 수년간 빅겔로위(Bigelowii)를 연구하면서 그녀는 이상한 점을 발견했다. 일반적인 조류 세포의 구성 요소는 모두 갖추고 있었지만, 그 외에도 설명할 수 없는, 어떤 교과서에서도 본 적 없는 특징이 있었다. 바로 조류 세포 중앙에 있는 검은 점이었다.

하기노는 이 불가사의한 점에 대한 논문을 발표할 준비를 하던 중, 미국 과학 저널인 사이언스에 막 실린 한 기사를 우연히 발견했다. 그 기사는 저자가 특정 조류 종 내부에 살고 있을 가능성이 높다고 추측한, 눈에 보이지 않는 질소 고정 박테리아를 찾는 연구에 대한 내용이었다. 기사의 저자는 존 제어였고, 그는 브라루도스파 에라 비겔로위(Braarudosphaera bigelowii) 에 대해 이야기하고 있었다.

하기노는 비겔로위 안에서 발견한 이상한 물체에 대해 생각했다. 모든 조각들이 맞춰졌다. 그녀는 비겔로위에 대한 유전자 검사를 실시했고, 결과는 긍정적이었다. 그녀는 제어가 수년간 찾아 헤매던 질소 고정 박테리아를 발견한 것이다.

"누군가가 비겔로위 섬에 대한 연구를 하고 있을 거라고는 상상도 못 했어요." 그녀가 말했다. "제가 연구를 앞질렀다는 사실에 충격을 받았죠."

제어는 하기노가 바다 건너 멀리 떨어진 곳에서 같은 퍼즐을 풀고 있었다는 사실을 알려주기 위해 연락했을 때 깜짝 놀랐다. "우리 둘 다 두 가지가 연관되어 있다는 걸 전혀 몰랐어요!"라고 그는 말했다.

하기노와 제어는 둘 다 평생 과학적 난제를 풀기 위해 노력했지만, 서로에게 부족한 조각을 쥐고 있다는 사실은 미처 알지 못했다. 이제 그들은 하나의 문화를 발견했고, 그 미스터리는 그들이 상상했던 것보다 훨씬 더 깊은 의미를 지니게 될 것이었다.

그들이 함께 만들어낼 협력은 생물학의 근본 법칙을 다시 쓸 만큼 엄청난 수준을 보여줄 것이다.

자연은 공생 관계로 가득 차 있습니다. 두 생물이 서로에게 도움을 주는 관계죠. 영화 '니모를 찾아서'의 흰동가리가 좋은 예입니다. 흰동가리 는 말미잘을 돌봐주는 대가로 안전한 서식지를 얻습니다 . 하지만 이러한 공생 관계는 더욱 긴밀해질 수 있습니다. 산호 처럼 다른 생물체 안에 사는 생물도 있고, 산호는 자신 안에 사는 조류인 주산텔라로부터 양분을 얻습니다. 심지어 세포 안에 또 다른 세포가 사는 경우도 있습니다. 어느 시점에 이르면 관계가 너무 긴밀해져서 어디서부터 어느 생물체가 시작되고 어디서 다른 생물체가 시작되는지 구분하기 어려워집니다.

두 유기체가 수렴하여 별개의 개체에서 하나의 존재의 일부가 되는 것은 매우 놀라운 일이며, 지구 생명 역사상 몇 번밖에 일어나지 않은 일입니다. 대표적인 예로는 지구상의 모든 복잡한 생명체에서 발견되는 세포의 에너지 생산 기관인 미토콘드리아와 식물 세포에서 광합성을 통해 햇빛과 이산화탄소를 양분으로 바꾸는 엽록체가 있습니다. 이 두 가지 모두 처음에는 독립적인 세포였지만 시간이 흐르면서 서로 매우 가까워져 다른 세포 내부에 있는 작은 기관인 세포소기관이 되었습니다.

그렇다면 큰돌고래와 그 안에 서식하는 박테리아는 어떨까요? 둘 사이의 관계가 밀접하다는 것은 의심의 여지가 없었습니다. 제어와 하기노는 둘이 어떻게 공생하는지 알아내고 싶어 했습니다. 그래서 그들은 함께 연구를 시작했습니다. 하기노는 실험이 진행되는 동안 캘리포니아를 방문할 계획으로 배양액을 존의 연구실로 보냈습니다.

배양균이 제어의 사무실에 도착했을 때, 그는 너무 흥분해서 그 순간을 사진으로 남겼습니다. 그의 팀은 어떤 실험을 먼저 진행할지 논의했습니다.

"연구실 사람들이 모여 앉아 배양액이 얼마나 오래 살아남을지 몰랐기 때문에 먼저 해야 할 열 가지 일을 정했습니다."라고 그는 말했다. "그런데 3일 만에 코로나19 봉쇄 조치가 시작됐습니다."

팬데믹은 그들의 모든 계획에 차질을 빚게 했다. 일본은 매우 엄격한 여행 제한 조치를 시행했고, 이는 수년간 지속되었다. 하기노는 그동안의 노력에도 불구하고 제어 박사를 직접 만날 수 없었다. 하지만 두 사람은 여전히 ​​해답을 찾고자 했고, 제어 박사의 연구실에서 실험을 계속 진행하기로 결정했다. 제어 박사와 공동으로 받은 연구비 지원을 받고 있던 하기노는 원격으로 최대한 도울 수 있게 되었다.

그리고 얼마 지나지 않아 연구진은 조류와 박테리아의 관계가 일반적인 공생 관계가 아니라는 단서를 발견하기 시작했습니다. 비겔로위조개와 박테리아는 항상 동시에 분열했고, 같은 속도로 성장했으며, 그 방식은 미토콘드리아나 엽록체와 매우 유사했습니다.

하지만 가장 설득력 있는 증거는 제어 연구실의 박사후 연구원인 타일러 코알에게서 나왔습니다. 그는 두 미생물 내부의 단백질을 연구하던 중 이상한 점을 발견했습니다. 박테리아에는 원래 만들 수 있는 유전자가 없는 단백질이 가득했던 것입니다. 대신, 이 단백질들은 빅겔로위에서 발견된 추가 유전자로부터 생성되고 있었습니다. 그리고 이 추가 유전자 각각의 끝부분에는 동일한 짧은 DNA 서열이 반복적으로 나타나고 있었습니다.

이 패턴은 코알에게 이전의 미스터리를 떠올리게 했습니다. 질소 고정 박테리아가 생존에 필요한 단백질 유전자를 상당수 잃어버린 사건이었죠. 혹시 비겔로위가 그 단백질들을 대신 공급하고 있는 것은 아닐까요? 이를 알아내기 위해 그는 한 생물체의 결손 유전자와 다른 생물체의 추가 유전자를 비교하는 실험을 진행했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 박테리아가 잃어버린 거의 모든 유전자에 대해 비겔로위는 추가 복사본을 진화시켜 가지고 있었습니다. 그리고 이 추가 유전자들은 각각 끝에 동일한 DNA 서열, 즉 단백질을 박테리아로 전달하는 분자적 지시 서열로 표시되어 있었습니다.

이 발견은 엄청난 의미를 지녔는데, 왜냐하면 이러한 시스템은 미토콘드리아와 엽록체에서 극소수만 관찰되었고, 이제 제어와 하기노가 비겔로위 내부에서 발견한 아주 작은 점 안에서까지 나타났기 때문이다. 질소 고정 박테리아는 더 이상 박테리아가 아니었다. 그것은 비겔로위의 일부가 되어 독립적인 미생물에서 세포소기관으로 변모한 것이다.

제어와 그의 팀은 그것을 니트로플라스트라고 부르기로 결정했습니다.

이는 또한 비겔로위가 박테리아와 같은 단순한 유기체만이 공기 중에서 질소를 흡수할 수 있다는 근본적인 규칙을 깼다는 것을 의미했습니다. 이 조류는 생명나무의 복잡한 계통에서 공기 중에서 질소를 흡수할 수 있는 것으로 알려진 최초의 유기체입니다.

아직 초기 단계이긴 하지만, 코알은 이번 발견이 농업과 같은 산업에 큰 영향을 미칠 수 있다고 말했습니다. "이 유기체는 수십 년간의 생명공학 기술로도 해내지 못했던 일을 해냈습니다. 세포에 이러한 능력을 부여한 것이죠. 우리가 여기서 배울 점이 있을 거라고 생각하는 건 당연한 일입니다."라고 그는 말했습니다.

제어는 조심스럽게 낙관하면서도 자가수정 식물이 현실화되기까지는 아직 갈 길이 멀다고 생각한다. 그는 "문제는 우리가 질산화질소에 대해 알고 있는 것을 바탕으로 식물을 조작하는 것이 매우 어렵다는 점입니다."라고 말했다. "하지만 한 걸음이라도 내딛지 않으면 백 걸음도 갈 수 없습니다."

제어와 하기노는 앞으로 연구가 어떤 방향으로 나아갈지 기대에 부풀어 있습니다. 하지만 그들에게 세상을 바꾸는 것이 연구의 목적은 아니었습니다. 그들은 평생 동안 퍼즐의 작은 조각들을 연구하며 무엇을 발견하게 될지 알지 못했지만, 발견한 것이 자연 세계의 작동 원리에 대해 조금이나마 더 가르쳐 줄 수 있기를 바랐습니다.

그 점에 있어서는 아직 배워야 할 것이 너무나 많습니다.

하기노는 "이번 경험을 통해 어떤 연구가 유용할지, 그리고 언제 유용할지 알 수 없다는 것을 알게 됐다"고 말했다.

제어는 "가장 크고 획기적인 발전은 예상치 못한 곳에서 나올 수도 있다"며 "이번 사례도 그런 경우일 수 있다"고 말했다.