Chromatin is dispensable for bacterial life

모든 살아있는 세포 내부에서, 생명의 유전적 지침은 느슨하게 엉킨 채 자유롭게 떠다니고 있는 것이 아닙니다. 대신, 긴 DNA 가닥들은 특수한 단백질들에 의해 단단하게 조직되고 감겨 있으며, 과학자들은 이 구조를 크로마틴(chromatin)이라고 부릅니다. 이 배열을 책들이 단순히 바닥에 쌓여 있는 것이 아니라, 세포가 적절한 시기에 적절한 정보를 찾아 읽을 수 있도록 정교하게 선반에 꽂혀 있고 색인되어 있는 도서관에 비유해 보십시오. 인간과 같은 복잡한 생명체에서, 이러한 단백질 선반은 히스톤(histones)이라는 특정 유형으로 만들어집니다. 수십억 년 동안 지구에 거주해 온 미생물인 단세포 생물인 박테리아의 경우, 이 역할은 뉴클레오이드 결합 단백질(nucleoid-associated proteins)로 알려진 다른 단백질 집단에 의해 수행됩니다. 이 박테리아 단백질들은 세포라는 아주 작은 공간 안에 DNA를 압축하고 조직화하기 위해 DNA를 구부리고, 감고, 연결합니다. 오랫동안 과학자들은 이 단백질과 DNA의 파트너십이 매우 근본적이어서, 마치 도서관에서 모든 선반이 제거되면 도서관이 기능할 수 없는 것처럼 세포가 이것 없이는 결코 생존할 수 없을 것이라고 가정해 왔습니다.

한 연구팀은 이 가정을 테스트하기 위해 대담한 질문을 던지며 연구를 시작했습니다. 만약 박테리아에게 크로마틴 단백질이 전혀 없다면 살 수 있을까? 이 질문에 답하기 위해, 그들은 세포 생명을 이해하는 표준 모델 역할을 하는 흔한 박테리아인 대장균(E. coli)을 가지고 연구를 진행했습니다. 그들은 정상적으로 박테리아의 DNA를 감싸고 조직하는 가장 풍부한 9가지 단백질을 식별했습니다. 연구진은 이 단백질들을 만드는 유전적 지침을 박테리아 자신의 게놈으로부터 하나씩, 그리고 조합하여 제거했습니다. 그 결과, 고유한 크로마틴이 완전히 결여된 독특한 변종 대장균이 만들어졌습니다. 이는 일반적인 구조적 지원 없이 유전 물질을 관리해야 하는 살아있는 세포를 만들어냈으며, 연구진은 이 유기체가 이러한 급격한 변화에 어떻게 적응하는지 관찰하도록 강제했습니다.

과학자들은 세포의 내부 구조와 성장 능력에 어떤 일이 일어날지 알아보기 위해 면밀히 관찰했습니다. 그들은 DNA가 어떻게 패킹되는지, 어떻게 뒤틀리는지, 그리고 세포가 어떻게 유전자를 읽는지 조사했습니다. 놀랍게도, 박테리아는 죽지 않았습니다. 세포는 계속해서 생존하고, 분열하며, 생명 유지에 필요한 기본적인 기능들을 수행했습니다. 이는 크로마틴 단백질이 박테리아의 생존에 엄격하게 필수적인 것은 아님을 증명했습니다. 하지만 생존의 대가는 상당했습니다. 조직화 단백질이 없으면, 세포의 내부 구조는 예상치 못한 방식으로 변화했습니다. DNA는 특정한 조직성을 일부 상실했고, 세포가 유전자를 제어하는 방식은 혼란스러워졌습니다. 특정 유전자를 정밀한 패턴으로 켜거나 끄는 대신, 세포는 전체 게놈에 걸쳐 더 균일하고 평탄한 수준의 활동을 나타내기 시작했습니다. 이러한 전역적인 혼란은 세포가 환경에 대한 반응을 미세하게 조정하거나, 휴면 상태의 바이러스와 같은 특정 해로운 유전적 요소들을 억제하는 능력을 상실했음을 의미했습니다.

이 연구는 박테리아가 크로마틴 단백질 없이도 물리적으로 존재할 수는 있지만, 정상적인 세포와 같은 정밀함과 유연성을 가지고 기능하는 데는 어려움을 겪는다는 것을 보여줍니다. 단백질들은 단순히 DNA를 결합하기 위해 존재하는 것이 아니라, 유전 정보를 구획화하여 세포가 이기적인 요소들을 억제하고 환경이 변할 때 활동을 빠르게 재프로그래밍할 수 있게 하는 정교한 관리 시스템 역할을 합니다. 단백질이 없는 변종을 성공적으로 만들어낸 것은 생명의 기계 장치가 이전에 생각했던 것보다 더 견고하며, 함께 진화해 온 조직화 도구들이 제거된 상태에서도 작동할 수 있음을 보여줍니다. 동시에, 이 결과는 이러한 단백질들이 생명의 복잡하고 역동적인 제어에 얼마나 중요한지를 강조하며, 우리가 박테리아가 유전자를 관리하는 방식을 근본적으로 재설계할 수는 있을지라도, 이러한 자연적인 조절자들 없이 그렇게 하는 것은 유기체가 변화하는 세상을 항해하는 데 어려움을 겪게 만들 것임을 시사합니다.