Nutrient environments shape amino acid auxotrophy and cross-feeding

모든 주민이 각기 다른 직업을 가진 활기찬 도시를 상상해 보세요. 어떤 이들은 빵을 굽고, 어떤 이들은 자동차를 수리하며, 또 어떤 이들은 채소를 재배합니다. 이 도시에서 아무도 혼자서 모든 것을 하려고 하지 않습니다. 왜냐하면 그것은 너무 힘들고 비용이 많이 들기 때문입니다. 대신 그들은 거래를 합니다. 제빵사는 빵을 자동차 수리와 바꿉니다. 채소 재배가는 당근을 빵과 바꿉니다. 이것이 바로 실제 세상에서 수많은 미생물이라 불리는 아주 작은 생명체들이 살아남는 방식입니다. 이들은 종종 자신의 몸을 구성하는 특정 비타민이나 구성 요소와 같은 필수 성분을 스스로 만들어내는 능력이 부족합니다. 이러한 무능력을 보조영양성(auxotrophy)(발음: '오-트로-피')이라고 부릅니다. 이것을 토마토 키우는 법을 잊어버려서 이제는 국을 만들기 위해 반드시 이웃으로부터 토마토를 구해야만 하는 요리사라고 생각해 보세요.

보통 과학자들은 이러한 "망각"을 파란 눈이나 왼손잡이처럼 고정된 형질이라고 생각했습니다. 그들은 만약 미생물이 특정 아미노산(단백질 구성 요소)을 만들 수 없다면, 그냥 만들 수 없는 것이라고 단정 지었습니다. 하지만 만약 이 "무능력"이 고정된 것이 아니라면 어떨까요? 만약 그것이 찬장에 무엇이 있느냐에 따라 달라진다면요? 만약 환경에 특정 음식이 가득하다면, 아마도 미생물이 결국에는 몰래 그 빠진 성분을 만들어내거나, 혹은 더 이상 거래를 할 필요가 없게 될지도 모릅니다. 이 아이디어는 우리가 이 작은 공동체들이 어떻게 형성되고, 생존하며, 진화하는지를 이해하는 방식을 변화시킵니다. 미생물의 필요가 날씨, 토양, 또는 이용 가능한 음식에 따라 변한다면, 이 도시의 전체 거래 네트워크는 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 유연하고 예측 불가능할 것입니다.

이것이 바로 연구진이 조사하고자 했던 내용입니다. 그들은 이 "거래의 규칙"이 미생물의 세계에서 돌에 새겨진 것처럼 확고한 것인지, 아니면 메뉴에 따라 변하는 것인지 알아보고 싶었습니다.

거대한 미생물 스왑 미트 (The Great Microbial Swap Meet)

이를 알아내기 위해 과학자들은 실험실에서 두 가지 유명한 박테리아 유형인 Escherichia coli(당신의 장 속에 흔히 발견되는 종류)와 Bacillus subtilis(흔한 토양 거주자)를 사용하여 대규모 실험을 설계했습니다. 그들은 각 종에 대해 여섯 가지 서로 다른 돌연변이 균주로 구성된 "매칭 세트"를 만들었습니다. 각 돌연변이는 메티오닌(Methionine), 페닐알라닌(Phenylalanine), 아르기닌(Arginine), 시스테인(Cysteine), 세린(Serine), 또는 류신(Leucine) 중 서로 다른 아미노산을 만드는 레시피를 잃어버린 상태였습니다.

이 돌연변이들을 각각 다른 재료를 만드는 법을 잊어버린 여섯 명의 요리사라고 생각해 보세요. 과학자들은 이 요리사들을 40개의 서로 다른 "주방"에 배치했습니다. 이 주방들은 다양한 탄소원(예: 포도당 또는 글리세롤)과 질소원(예: 아미노산 또는 요소)을 조합하여 매우 다양하게 구성되었습니다. 이는 마치 이 요리사들을 프랑스 비스트로, 일본 스시 바, 비건 카페, 그리고 다이너에서 동시에 테스트하는 것과 같았습니다.

그들은 모든 주방에서 두 가지 유형의 테스트를 수행했습니다:

1. 솔로 테스트: 요리사가 혼자 요리할 수 있는가? (만약 그들이 빠진 재료를 만들지 못한다면, 그들은 굶주리게 됩니다).
2. 팀 테스트: 그들은 서로 다른 두 명의 요리사를 짝지었습니다. 만약 요리사 A는 메티오닌을 만들지 못하지만 요리사 B는 만들 수 있고, 요리사 B가 기꺼이 공유한다면, 그들 둘 다 함께 생존하고 성장할 수 있을까요?

놀라운 발견: 메뉴가 요리사를 바꾼다

첫 번째 큰 발견은 "영구적인" 음식 제조 능력의 상실이 결코 영구적이지 않다는 것이었습니다. 어떤 주방에서는, 도움을 받지 못할 것으로 예상되었던 요리사가 빠진 재료 없이도 스스로 성장하는 데 성공했습니다! 예를 들어, 페닐알라닌을 만들지 못하는 돌연변이는 약 60%의 서로 다른 주방에서 실제로 성장할 수 있었습니다. 심지어 가장 "약한" 돌연변이인 세린 결핍 돌연변이조차도 20% 이상의 환경에서 성장해 냈습니다.

이는 보조영양성이 고정된 형질이 아님을 시사합니다. 그것은 마치 무드 링(mood ring)과 같습니다. 주변에 어떤 영양소가 떠다니느냐에 따라, 미생물은 갑자기 자신이 원래 부족했던 것을 만들어낼 방법을 찾아내거나, 혹은 환경이 다른 형태로 그것을 제공해주기 때문에 더 이상 그것을 만들 필요가 없음을 깨닫게 될 수도 있습니다. 거래 파트너에 대한 "필요성"은 주변 환경에 따라 변합니다.

거래 네트워크: 최고의 이웃은 누구인가?

다음으로, 연구진은 팀 테스트를 통해 누가 최고의 거래 파트너인지 살펴보았습니다. 그들은 거래의 성공 여부가 종(species), 환경, 그리고 어떤 성분이 부족한지에 따라 세 가지 주요 요인에 달려 있다는 것을 발견했습니다.

• 종이 중요하다: Bacillus subtilis는 궁극의 팀 플레이어로 나타났습니다. 비록 필요한 음식이 모두 있을 때 더 느리게 성장하긴 했지만, 쌍을 이루어 성장할 때 E. coli보다 훨씬 더 잘 공유하고 함께 성장했습니다. 마치 B. subtilis는 항상 자신의 정원 농작물을 기꺼이 나누어 주는 이웃인 반면, E. coli는 조금 더 인색하거나 교환 효율이 낮은 이웃인 것과 같습니다.
• 환경이 중요하다: 어떤 주방은 거래하기에 더 좋았습니다. B. subtilis에게 프로린(Proline)과 포도당(Glucose)의 혼합은 성장을 위한 "노다지"였던 반면, 요소(Urea)와 글리세롤(Glycerol)은 거래가 거의 작동하지 않는 "데드 존"이었습니다.
• 부족한 성분이 가장 중요하다: 여기 매우 놀라운 부분이 있습니다. 환경이 변화를 일으키긴 했지만, 부족한 성분의 종류가 거래의 성패를 결정하는 가장 강력한 예측 변수였습니다. 어떤 성분(메티오닌이나 페닐알라닌 같은)은 거의 항상 성공하는 "강한" 거래 쌍을 만들었습니다. 반면 다른 성분(시스테인이나 세린 같은)은 어려움을 겪는 "약한" 쌍을 만들었습니다.

수정구슬: 무엇이 미래를 예측하는가?

이러한 상호작용을 움직이는 동력을 정말로 이해하기 위해, 과학자들은 두 박테리아가 함께 얼마나 잘 자랄지 예측하는 컴퓨터 모델(머신 러닝 알고리즘)을 구축했습니다. 그들은 모델에 모든 데이터를 입력했습니다: 종, 특정 결핍 성분, 주방의 음식 유형, 그리고 박테리아가 혼자서 얼마나 잘 자랐는지에 대한 데이터입니다.

결과는 충격적이었습니다. 컴퓨터는 어떤 성분이 부족한지를 아는 것이 박테리아의 종이 무엇인지 아는 것만큼 중요함을 발견했습니다. 사실, 알고 있는 "부족한 성분"은 환경의 특정 음식 유형(탄소 또는 질소)을 아는 것보다 성공을 더 잘 예측하는 지표였습니다.

이는 만약 당신이 두 박테리아가 서로 잘 지낼지 알고 싶다면, 그들이 지금 정확히 무엇을 먹고 있는지 알 필요가 없다는 것을 의미합니다. 당신은 단지 그들이 무엇을 만들지 못하는지만 알면 됩니다. "부족한 아미노산의 정체"는 그들이 무엇을 먹든 상관없이, 거래가 어떻게 이루어질지를 결정하는 화학적 서명을 담고 있습니다.

이것이 모든 것을 바꾸는 이유

이 논문은 우리가 미생물의 DNA만을 보고 "이것은 메티오닌이 필요하므로 항상 파트너가 필요할 것이다"라고 말해서는 안 된다고 제안합니다. 그것은 너무 단순합니다. 환경이 필요성을 재형성합니다. 미생물은 어떤 주방에서는 독고다이일 수도 있고, 어떤 주방에서는 최고의 거래자가 될 수도 있습니다.

하지만 환경이 규칙을 바꾼다 하더라도, 부족한 성분의 종류는 여전히 신뢰할 수 있는 나침반으로 남습니다. 이는 박테리아가 유전자를 잃고 서로에게 의존하게 되는 과정이 무작위적인 혼돈이 아님을 시사합니다. 그것은 끊어진 특정 생화학적 경로와 연결된 패턴을 따릅니다. 만약 박테리아가 특정 아미노산을 만드는 능력을 잃는다면, 그 특정한 상실은 그들의 대사에 예측 가능한 "구멍"을 만들며, 그 구멍은 토양 샘의 환경이든 인간의 장 속이든 상관없이 그들이 세상과 상호작용하는 방식을 결정합니다.

요약하자면, 미생물의 세계는 역동적이고 변화하는 시장입니다. 거래의 규칙은 돌에 새겨진 것이 아니며, 날씨에 따라 변합니다. 하지만 거래의 "통화"—즉, 특정한 결핍 성분—는 누가 게임에 계속 참여할지를 결정하는 가장 강력한 힘으로 남습니다.