메마른 암석과 긴 파장의 빛을 견디는 시아노박테리아의 생존법

 

Chroococcidiopsis thermalis는 건조와 강한 빛을 견디는 시아노박테리아로 자주 소개되지만, 이 문장에는 균주를 구분하는 작업이 필요하다. 사막 암석과 우주 모사 환경에서 시험된 Chroococcidiopsis 계통 중에는 CCMEE 029처럼 이 종과 유전적으로 구별되는 균주가 많다. 그 결과를 모두 C. thermalis의 능력으로 합치면 생존력을 과장하게 된다.

종 자체는 1933년 인도네시아 수마트라의 온천 주변 담수 환경에서 기재됐으며, 시아노박테리아 명명 전통에 따라 식물명명규약의 적용을 받아 온 이름이다. LPSN은 Chroococcidiopsis속의 기준종으로 C. thermalis를 수록한다. 오늘날 분자 연구에 많이 쓰이는 PCC 7203은 독일 토양에서 분리돼 이 종으로 동정된 배양주이고, 탄소고정 연구에 사용된 KOMAREK 1964/111과 화성 자원 배지 연구의 CCALA 050은 별도 배양주다.

둥근 세포가 점액질 군체와 작은 휴면세포를 만든다

Chroococcidiopsis 세포는 둥글거나 타원형이며 단독으로 있기도 하지만 점액질 피막 안에서 불규칙한 군체를 이루는 경우가 많다. 여러 방향으로 분열한 뒤 작은 딸세포인 배오사이트를 만들어 퍼질 수 있고, 질소고정을 위해 분화한 헤테로시스트는 만들지 않는다. 세포 밖 다당류층은 군체를 표면에 붙이고 수분이 빠져나가는 속도를 늦추며, 다시 물이 들어올 때 세포막이 급격히 손상되는 것을 줄이는 데 도움을 줄 수 있다.

건조 상태에서는 대사가 크게 낮아지고 광합성 장치도 정상 성장 때처럼 계속 작동하지 않는다. 물이 부족한데 강한 빛을 계속 흡수하면 전자를 처리하지 못해 활성산소가 생길 수 있기 때문이다. 카로티노이드 같은 색소, 항산화 효소, DNA와 단백질 복구 체계가 재수화 뒤 회복에 관여한다. 다만 어떤 장치가 얼마나 기여하는지는 균주와 건조 속도, 빛 조건에 따라 달라진다.

PCC 7203과 여러 사막 유래 Chroococcidiopsis를 비교한 연구에서는 건조와 방사선에 강한 균주일수록 단백질 산화를 억제하는 경향이 나타났다. 그러나 네게브 사막의 CCMEE 029가 보인 우주 노출 성적이나 방사선량을 PCC 7203의 측정값처럼 인용할 수는 없다. 속 이름이 같다는 이유만으로 동일한 극한내성을 가정할 수 없다는 뜻이다.

PCC 7203은 먼적색광에 맞춰 광합성 장치를 바꾼다

암석 표면은 자외선과 가시광선이 강하지만 몇 밀리미터 안쪽으로 들어가면 환경이 달라진다. 광물과 표면 생물이 짧은 파장의 빛을 먼저 흡수해 안쪽에는 700 나노미터보다 긴 먼적색광의 비율이 높아질 수 있다. PCC 7203은 이런 빛 아래에서 먼적색광 광순응, 즉 FaRLiP을 수행할 수 있음이 실험으로 확인된 균주다.

보통의 빛에서 자란 세포를 먼적색광으로 옮기면 약 20개 유전자로 이루어진 묶음이 활성화되고, 광계 I과 광계 II, 피코빌리솜의 일부 단백질을 먼적색광용 형태로 교체한다. 동시에 엽록소 a보다 긴 파장을 흡수하는 엽록소 f와 소량의 엽록소 d를 합성한다. 새 색소만 추가하는 것이 아니라 빛을 모으는 안테나와 반응중심 주변을 함께 재조립하는 과정이다.

RfpA는 먼적색광을 감지하는 광수용체이고 RfpB와 RfpC는 유전자 발현을 조절한다. 이 세 조절자의 기능은 2015년 다른 FaRLiP 시아노박테리아의 유전자 결실 실험으로 확인됐으며, PCC 7203에도 대응하는 유전자군과 먼적색광 순응 능력이 확인돼 있다. 가시광선보다 에너지가 낮은 광자를 쓰기 때문에 모든 반응의 효율이 그대로 유지되는 것은 아니지만, 다른 광합성 생물이 쓰고 남긴 빛에서도 산소발생 광합성을 계속할 통로가 생긴다.

유전체와 탄소농축 장치는 제한된 자원을 붙잡는다

PCC 7203의 완성 유전체는 원형 염색체 하나와 pCHRO.01, pCHRO.02라는 원형 플라스미드 두 개로 구성되며, 2013년 시아노박테리아 계통 다양성을 넓힌 유전체 사업을 통해 공개됐다. 유전체에는 일반 가시광선용 광계 유전자와 별도로 FaRLiP 유전자군이 들어 있다. 환경이 바뀔 때 같은 광합성계를 조금 조정하는 수준을 넘어 대체 부품 묶음을 꺼내 쓸 수 있는 구조다.

빛을 확보해도 세포 물질을 만들려면 이산화탄소가 필요하다. KOMAREK 1964/111을 조사한 2023년 연구에서는 루비스코의 이산화탄소 선택성과 촉매 효율, 카복시솜을 이용하는 탄소농축기작이 분석됐다. 공기 수준의 이산화탄소에서 세포 내부 농축 효과가 크게 나타났으며, 이 균주의 루비스코는 조사된 시아노박테리아 효소 가운데 높은 선택성을 보였다. 이 수치는 PCC 7203에서 측정한 값이 아니므로 종의 모든 배양주가 같은 효율을 낸다고 볼 수 없다.

해당 연구는 2026년 그림의 광합성 속도 수치가 정정됐다. 따라서 정정 전 값으로 생산성을 비교하거나 극한환경에서 빠르게 자란다고 주장해서는 안 된다. 건조를 견디는 능력과 젖은 배양 조건에서 바이오매스를 빠르게 만드는 능력도 별개다. 스트레스 방어에 탄소와 에너지를 쓰면 성장률은 낮아질 수 있다.

화성 생물공정 후보라는 말에는 배양 조건이 숨어 있다

2024년에는 C. thermalis CCALA 050을 화성 표토 침출액과 우주비행사 소변 모사액으로 만든 배지에서 키우는 실험이 발표됐다. 세균은 모사 자원이 포함된 조건에서 성장했지만, 높은 바이오매스를 얻은 배지는 표준 배지를 60퍼센트 섞은 조성이었다. 이는 현지 자원의 일부 이용 가능성을 보여주는 배양 실험이지, 화성 표면에 세포를 놓아도 번식한다는 증거가 아니다.

실제 화성 표면에는 낮은 기압과 온도 변화, 강한 자외선과 이온화 방사선, 액체 물 부족이 동시에 작용한다. 산소와 식량 원료를 생산하려면 차폐된 반응기, 물과 온도 조절, 오염 방지, 생성물 회수가 필요하다. 다른 Chroococcidiopsis 균주가 우주 밖 노출에서 살아남았다는 결과도 CCALA 050의 장기 생산성과 안전성을 대신하지 못한다.

C. thermalis를 살펴보며 가장 의미 있게 느껴진 부분은 극한생물이라는 한 단어보다 조건에 따라 장치를 바꾸는 세밀함이었다. 물이 없을 때는 활동을 낮추고, 암석 안쪽의 빛이 붉게 남으면 광계를 다시 조립하며, 이산화탄소가 적으면 세포 안에 모은다. 동시에 균주 이름을 확인하는 순간 유명한 우주 생존 기록 상당수가 다른 계통의 결과임을 알게 된다. 강인함을 제대로 이해하려면 영웅담처럼 묶기보다 어느 균주가 어떤 조건에서 살아남았는지를 끝까지 구분해야 한다고 생각한다.

참고자료

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