Contrasting evolutionary trajectories of nitrate assimilation across Brettanomyces bruxellensis lineages

효모는 포도즙을 와인으로, 반죽을 빵으로 바꾸며 인류의 역사를 형성해 온 단세포 균류입니다. 많은 이들이 발효 과정에서의 역할로 효모를 잘 알고 있지만, 이 미생물들은 매우 다양한 환경에서 살아남을 수 있게 해주는 복잡한 내부 기제 또한 보유하고 있습니다. 그들의 생존을 결정짓는 핵심 요소 중 하나는 바로 어떻게 먹느냐 하는 것입니다. 대부분의 효모는 단순 당을 섭ating하는 것을 선호하지만, 일부는 토양과 물에서 발견되는 화합물인 질산염을 분해하여 성장에 필요한 단백질을 구축하는 능력을 진화시켜 왔습니다. 질산염을 이용하는 능력은 효모 사이에서 흔치 않은 일이며, 이 능력을 갖춘 효모는 과학자들에게 특히 흥สนใจ로운 연구 대상이 됩니다. 효모가 서로 다른 먹이원을 전환하여 사용할 수 있을 때, 그들은 와인 제조에 사용되는 다양한 발효 탱크나 그들이 서식하는 자연 환경처럼 다른 효모들이 살 수 없는 곳에서도 번성할 수 있습니다. 이 작은 유기체들이 특정 영양소를 사용하는 능력을 어떻게 얻거나 잃는지 이해하는 것은, 특히 여러 세트의 염색체를 가져 유전적 구성이 복잡해진 경우를 통해 연구자들이 시간이 흐름에 따라 생명체가 변화에 어떻게 적응하는지를 파악하는 데 도움을 줍니다.

최근 한 연구팀은 넓은 유전적 다양성을 지니고 있으며 많은 발효 환경에서 발견되는 효모 종인 Brettanomyces bruxellensis에 주목했습니다. 이 종은 두 세트의 염색체를 가진 이배체(diploid) 계통과 세 세트를 가진 삼배체(triploid) 계통을 모두 포함하고 있다는 점에서 독특합니다. 일부 삼배체 계통은 두 종류의 효모가 합쳐져 더 복잡한 게놈을 만들어낸 잡종 형성(hybridization)의 결과입니다. 과학자들은 질산염을 섭취하는 능력이 이러한 서로 다른 유전적 집단 사이에 어떻게 분포되어 있는지, 그리고 효모의 유전 구조가 이토록 정교해질 때 해당 형질을 담당하는 유전자들에 어떤 일이 일어나는지 알고 싶었습니다. 이를 위해 연구진은 151개의 서로 다른 균주를 실험실에서 배양하며 성장 습성을 테스트하고, 946개 균주의 완전한 유전 설계도를 조사하여 방대한 양의 데이터를 수집했습니다.

연구진은 질산염을 동화하는 능력이 이 효모들 사이에서 널리 퍼져 있지만, 균등하게 공유되지는 않는다는 사실을 발견했습니다. 효모의 일부 집단은 이 능력을 유지한 반면, 다른 집단은 이 능력을 완전히 상실했습니다. 연구팀이 질산염 섭취를 담당하는 유전자를 조사했을 때, 이 형질이 해당 균주가 얼마나 많은 유전자 복사본을 가지고 있는지, 그리고 그 복사본들이 여전히 제대로 작동하는지에 크게 의존한다는 것을 발견했습니다. 질산염을 섭취할 수 있는 균주들은 일반적으로 그렇지 못한 균주들보다 기능적인 유전자 군집(gene cluster)을 더 많이 보유하고 있었습니다. 이러한 유전자 수와 품질의 변이는 효모의 유전적 구성과 질산염 생존 능력 사이의 명확한 연결 고리를 제공했습니다.

연구의 가장 결정적인 부분은 기본 게놈(primary genome)과 획득된 게놈(acquired genome)을 모두 포함하는 삼배체 계통을 분석하는 데서 나왔습니다. 이 두 부분을 분리하여 살펴봄으로써, 과학자들은 이들이 어떻게 서로 다르게 진화했는지에 대한 놀라운 차이를 밝혀냈습니다. 질산염 동화를 위한 유전자들은 대개 기본 게놈 내에서 온전하게 유지되었는데, 이는 세포의 이 부분이 해당 형질을 보존하는 데 매우 신중하다는 것을 시사합니다. 반면, 획득된 게놈은 훨씬 높은 비율의 유전자 손실과 손상을 보였습니다. 이는 두 종류의 효모가 합쳐진 후, 새로운 유전 물질은 질산염 섭취 능력을 잃는 경향이 있는 반면, 원래의 유전 물질은 그 능력을 유지했다는 것을 의미합니다. 이는 한쪽 세포의 유전 라이브러리는 유용하게 남아 있는 반면, 다른 쪽은 퇴화하는 불균형한 역동성을 만들어냅니다.

이러한 발견은 질산염 섭취 능력이 효모가 조상으로부터 물려받은 고대의 형질임을 시사합니다. 시간이 흐르면서 서로 다른 계통들은 그들의 구체적인 필요와 게놈의 안정성에 따라 이 능력을 유지하거나 버렸습니다. 이 연구는 복잡한 잡종 유기체에서 두 세트의 유전 물질이 항상 동일한 방식으로 진화하는 것은 아니라는 점을 보여줍니다. 한 세트는 안정적이고 기능적으로 유지될 수 있는 반면, 다른 세트는 급격한 변화와 손실을 겪을 수 있습니다. 이 연구는 게놈 구조와 서로 다른 유전 계통의 혼합이 산업적으로 중요한 효모의 생존 전략을 어떻게 형성하는지에 대한 명확한 그림을 제공하며, 유용한 형질의 유지가 유전자 복사본과 게놈의 특정한 역사 사이의 섬세한 균형에 달려 있음을 밝히고 있습니다.