Molecular adaptation reflects taxon-specific mutational biases

거대하고 느리게 흐르는 생명의 강 속에서, 모든 생명체는 화학적 암호로 쓰인 일련의 지침을 품고 있습니다. 세대를 거듭하며 이 지침들은 변합니다. 때때로 이러한 변화는 마치 책을 반복해서 복사할 때 발생하는 오타처럼, 무작위적인 사고에 의해 일어납니다. 과학자들은 이러한 무작위적인 사고가 생명이 진화하는 방식의 주요 동력인지, 아니면 환경이 엄격한 편집자로서 유기체의 생존을 돕는 변화만을 남기는지에 대해 오랫동안 논쟁해 왔습니다. 오랫동안 지배적이었던 관점은 환경이 유일한 편집자이며, 무작위적인 오류는 그저 배경 소음에 불과하다는 것이었습니다. 그러나 더 미묘한 아이디어가 지속되어 왔습니다. 바로 오류 그 자체의 본질이 이야기의 방향을 가이드할 수도 있다는 생각입니다. 만약 특정 유형의 오타가 다른 유형보다 훨씬 더 자주 발생한다면, 그 오타는 단지 더 빈번하게 나타난다는 이유만으로 이야기의 영구적인 일부가 될 가능성이 높습니다.

이 질문은 박테리아에서 기생충에 이르기까지 14종의 서로 다른 종을 대상으로 생명이 어떻게 적응하는지를 조사한 새로운 연구의 핵심에 자리 잡고 있습니다. 연구진은 유기체가 새로운 환경(예를 들어 약물이 존재하는 환경이나 새로운 먹이원)에 적응하도록 강요받았을 때, 그들이 만드는 실수의 독특한 특성, 즉 고유한 돌연변이 패턴이 실제로 그들이 생존하기 위해 적응하는 방식을 형성하는지 알고 싶었습니다. 그들은 유기체가 어떻게 변화하여 새로운 환경에 적응했는지에 대한 데이터를 수집했습니다. 연구진은 생존을 도운 변화의 유형과 그들이 자연적으로 만드는 실수의 유형을 비교함으로써 놀라운 패턴을 발견했습니다. 특정 유형의 유전적 오류가 발생할 가능성이 높을수록, 그와 동일한 유형의 오류가 종의 적응을 돕는 데 사용될 가능성도 높았습니다. 이는 마치 유기체 자신의 내부 기제에 의해 결정된 '최소 저항 경로'가 진화가 나아갈 경로를 규정하는 것과 같습니다.

이를 이해하려면 먼저 유전 암호의 기본 구성 요소를 살펴보아야 합니다. 생명은 네 개의 화학적 문자를 사용하며, 이들은 서로 짝을 이루어 사다리의 가로대를 형성합니다. 코드가 복사될 때 실수가 발생합니다. 어떤 실수는 다른 실수보다 더 흔하게 일어납니다. 예를 들어, 한 문자를 가장 가까운 화학적 친척 문자로 바꾸는 것은 먼 문자로 바꾸는 것보다 훨씬 더 자주 일어납니다. 이러한 불균형을 '돌연변이 편향(mutational bias)'이라고 부릅니다. 수십 년 동안 과학자들은 유기체가 새로운 도전에 적응할 때, 그것이 얼마나 자주 나타나는지와 상관없이 순수하게 자연 선택이 최선의 옵션을 선택하는 문제라고 생각했습니다. 그러나 최근의 이론들은 만약 특정 유형의 변화를 만들어내는 것이 훨씬 더 쉽다면, 그 변화가 진화의 현장에 먼저 도착하여 유리한 고지를 선점할 수 있다고 제안했습니다. 이 새로운 연구는 이러한 '도착 편향(arrival bias)'이 다양한 종류의 생명체 사이에서 실제로 측정 가능한 힘인지 테스트하기 위해 설정되었습니다.

연구진은 14종의 뚜렷이 구분되는 종들을 포함하는 방대한 데이터 컬렉션을 구성했습니다. 여기에는 E. coli와 Bacillus subtilis 같은 흔한 박테리아뿐만 아니라, Toxoplasma gondii와 말라리아 기생충인 Plasmodium falciparum 같은 기생충들도 포함되었습니다. 각 종에 대해 연구진은 두 가지 특정 데이터 세트가 필요했습니다. 첫째, 종의 자연적인 돌연변이율에 대한 지도가 필요했습니다. 즉, 유기체가 변화를 강요받지 않고 단순히 성장할 때 각 여섯 가지 유형의 단일 문자 변화가 얼마나 자주 발생하는지를 보여주는 목록입니다. 그들은 통제된 환경에서 새로운 실수를 관찰한 이전 실험들에서 이 수치들을 찾아냈습니다. 둘째, 종의 성공적인 적응 기록이 필요했습니다. 그들은 동일한 유기체들이 실험실에서 (예를 들어 독성 화학 물질이나 새로운 온도에 적응하도록) 강제로 진화하게 된 연구들을 살펴보았습니다. 그들은 유기체들이 생존하고 번성할 수 있게 해준 구체적인 유전적 변화들을 식와냈습니다.

그 후 팀은 모든 종에 대해 이 두 목록을 비교했습니다. 그들은 단순한 질문을 던졌습니다. 만약 자연 상태에서 특정 유형의 돌연변이가 다른 유형보다 열 배 더 자주 발생한다면, 성공적인 적응 과정에서도 그 유형이 열 배 더 자주 나타나는가? 대답은 명확한 '예'였습니다. 연구는 유기체가 자연 상태에서 만드는 실수의 패턴이 그들이 적응을 위해 사용하는 변화의 패턴을 예측하는 강력한 지표라는 것을 발견했습니다. 특정 유형의 유전적 교체가 매우 흔하게 일어나는 종에서는, 그 동일한 교체가 생존 문제를 해결하기 위해 가장 빈번하게 사용되는 도구였습니다. 반면 특정 교체가 드문 종에서는 그 교체가 적응을 위해 사용되는 일도 드물었습니다. 이러한 관계는 단 하나의 유형의 유기체에 국한되지 않고, 생명의 나무를 가로지르는 14종의 모든 종에 걸쳐 유효했습니다.

연구진은 이 패턴이 단순히 우연이거나 데이터를 집계하는 방식의 결과가 아님을 확실히 하기 위해 주의를 기울였습니다. 그들은 어떤 돌연변이가 종에 관계없이 만들기 더 쉬운 것인지에 따라 결과가 달라질 수 있는지 테스트했습니다. 그들은 연결 고리가 그보다 더 강력하다는 것을 발견했습니다. 즉, 각 종의 고유한 특성에 특화되어 있었습니다. 또한 결과가 숫자를 왜곡할 수 있는 한두 개의 특이한 종에 의해 주도되는 것인지 확인했습니다. 한 번에 한 종씩 분석에서 제외함으로써, 그들은 어떤 종이 포함되더라도 패턴이 여전히 강력하게 유지됨을 확인했습니다. 심지어 무작위적인 비적응적 변화로 데이터가 오염될 수 있는 시나리오를 시뮬레이션했음에도 불구하고, 돌연변이율과 적응 사이의 관계는 확고하게 유지되었습니다.

이 발견은 진화가 환경에 의해서만 인도되는 순수한 무작위 보행이라는 오래된 관념에 도전합니다. 대신, 이는 유기체의 내부 기제가 미래를 형성하는 데 중요한 역할을 한다는 점을 시사합니다. 이 연구가 환경의 중요성을 부정하는 것은 아닙니다. 환경은 여전히 어떤 변화가 유용한지를 결정합니다. 하지만 그것은 선택 가능한 '원재료'가 결코 무작위적이지 않다는 것을 보여줍니다. 특정 유형의 실수를 다른 유형보다 더 많이 만드는 유기체 자신의 성향은 필터 역할을 하여, 어떤 진화적 경로가 더 높은 확률로 선택될지를 결정합니다. 연구진은 단백질이 변화하여 유기체의 생존을 돕기 위해서는, 적응의 구체적인 패턴이 유기체가 만드는 실수의 구체적인 패턴과 밀접하게 연결되어 있다고 결론지었습니다.

연구진은 또한 이러한 변화의 메커니즘을 더 깊이 조사했습니다. 그들은 편향이 DNA의 특정 지점이 오류에 더 취약하기 때문인지, 아니면 일단 지점이 타격받았을 때 특정 유형의 교체가 일어날 가능성이 더 높기 때문인지를 검토했습니다. 그들은 두 가지 요소 모두가 최종 결과에 기여한다는 것을 발견했습니다. 특정 종류의 실수를 더 많이 만드는 종일수록, 그 실수는 성공적인 적응 과정에서 더 많이 나타났습니다. 이처럼 다양한 생물군 사이에서 나타나는 일관성은 이 법칙이 보편적임을 시사합니다. 박테리아가 배양 접시에서 분열하든, 기생충이 숙주를 항해하든, 적응의 경로는 발생하는 오류의 본질에 의해 닦여 있습니다.

이 작업은 생명의 이야기에 새로운 층위의 이해를 더해줍니다. 이는 진화가 단순히 유기체와 그 세계 사이의 투쟁이 아니라, 유기체와 자신의 내부적 한계 사이의 대화임을 시사합니다. 유기체가 자신의 유전 코드를 복사하는 방식은 그 유기체가 어떻게 변할 수 있는지를 결정하는 무대를 마련합니다. 환경이 대본을 제공한다면, 유기체의 생물학은 자신이 가장 말하기 쉬운 대사를 써 내려갑니다. 연구진은 이 법칙이 모든 개별 사례에 적용된다고 주장한 것은 아니지만, 전반적인 추세는 명확하고 견고했습니다. 이 연구는 생명체가 실수를 하는 방식에 내재된 편향이 생명이 시간이 흐름에 따라 변화하는 방식을 결정하는 근본적인 동력이라는 강력한 증거를 제시합니다.

이 발견의 함의는 실험실을 넘어 확장됩니다. 이는 과학자들이 바이러스가 약물에 저항하도록 어떻게 진화할지, 혹은 작물이 변화하는 기후에 어떻게 적응할지를 예측하고자 할 때, 환경만을 고려해서는 안 된다는 것을 의미합니다. 그들은 반드시 해당 유기체의 구체적인 유전적 기제를 살펴봐야 합니다. 유기체가 걷는 경로는 단순히 우연이나 필연의 문제가 아니라, 무엇이 먼저 일어날 가능성이 높은가에 관한 문제이기도 합니다. 이 연구는 생명을 형성하는 힘에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다. 즉, 외부 세계와 살아있는 존재 자체의 내부적 성향 사이의 복잡한 상호작용에 관한 그림 말입니다.