Complete loss of lipoprotein biosynthesis machinery in an obligate intracellular bacterium

대부분의 살아있는 세포는 외부 세계를 차단하면서도 필요한 물품은 통과시키는 벽으로 둘러싸인 요새화된 성과 같습니다. 박테리아의 세계에서 이 벽들은 층으로 이루어진 복잡한 구조체이며, 박테리아가 외부 방어력을 확보하는 가장 흔한 방법 중 하나는 표면 단백질에 아주 작은 기름진 닻을 부착하는 것입니다. 지질(lipids)이라고 알려진 이 닻은 분자 리벳처럼 작용하여, 막에 단백질을 단단히 고정합니다. 이 시스템은 너무나 근본적이어서 우리 장 속에 있는 무해한 미생물부터 질병을 일으키는 위험한 미생물에 이르기까지 거의 모든 종류의 박테리아에서 발견됩니다. 이러한 지질 닻이 없다면 박테리아의 벽은 아마도 무너져 내릴 것이며, 이는 유기체를 환경에 취약하게 만들 것입니다.

하지만 생명체가 매우 특정한 숨겨진 삶을 살 때, 자연은 때때로 다른 길을 택하기도 합니다. Orientia tsutsugamushi는 털진드기에 의해 전염되는 질병인 쯔쯔가무시병을 일으키는 박테리아입니다. 숙주 세포 내부의 보호된 거품 안이나 자유롭게 살아가는 다른 많은 박테리아와 달리, 이 미생물은 숙주 세포의 주요 체액인 세포질 내부에서 직접 살아갑니다. 이 박테리아는 이미 면역 체계를 자극하는 일반적인 당 코트와 두껍고 단단한 세포벽을 포함하여 박테리아 생존에 필요한 표준 도구들을 많이 버린 상태입니다. 이제 연구자들은 이 박테리아가 그 미니멀리즘 전략을 극단까지 밀어붙였다는 사실을 발견했습니다. 즉, 표면 단백질에 저 기름진 닻을 부착하는 데 필요한 전체 기제(machinery)를 완전히 상실했다는 것입니다.

케임브리지 대학교의 연구진이 이끄는 과학자 팀은 Orientia tsutsugamushi가 어떻게 이 필수적인 닻 없이도 안정적인 외벽을 구축하는지 이해하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 먼저 박테리아의 유전 코드를 스캔하여 지질 닻의 조립 라인 역할을 하는 특정 유전자들을 찾았습니다. 거의 모든 다른 박테리아에서 이 조립 라인은 단백질에 지방 사슬을 부착하고 이를 외벽으로 운반하는 일련의 효소들을 포함합니다. 연구진은 Orientia tsutsugamushi가 부착을 수행하는 두 가지 핵심 효소와 완성된 제품을 목적지로 이동시키는 전체 운송 시스템이 결여되어 있다는 것을 발견했습니다. 더욱이, 보통 이 닻을 받는 단백질들은 부착이 일어나는 특정 도킹 사이트조차 갖추고 있지 않았습니다. 박테리아는 사실상 공장과 배달 트럭을 삭제해 버렸지만, 여전히 원래 전달되어야 할 단백질들은 보유하고 있는 셈입니다.

이 발견은 당혹스러운 질문을 던졌습니다: 만약 박테리아가 표준적인 방법으로 막에 이 단백질들을 부착할 수 없다면, 그것들은 어떻게 제자리에 머물러 있는 것일까요? 연구진은 다른 박테리아에서 외벽과 내부 층을 연결하는 구조적 지지대 역할을 하는 Pal이라는 특정 단백질에 주목했습니다. Orientia tsutsugamushi에서 이 단백질은 여전히 존재하지만, 일반적인 지질 닻이 결여되어 있습니다. 이 단백질의 3차원 모델을 제작하고 이를 관련 박테리아에서 발견되는 버전들과 비교함으로써, 연구팀은 독특한 점을 발견했습니다. Orientia tsutsumushi의 버전은 이 단백질의 다른 알려진 버전들에서는 찾아볼 수 없는, 시작 부분에 추가적인 섹션인 '꼬리'를 가지고 있었습니다.

이 추가된 꼬리가 어떤 역할을 하는지 테스트하기 위해, 과학자들은 실험실에서 단백질을 합성하고 이를 지질 용액과 혼합하여 세포막을 모사하는 아주 작은 거품들을 만들었습니다. 그들은 꼬리가 있는 완전한 버전의 단백질이 지질 거품에 단단히 달라붙는 것을 관찰했습니다. 그러나 꼬리를 제거하자 단백질은 떠다니며 전혀 결합하지 못했습니다. 이는 박테리아가 자신의 단백질을 고정하기 위해 새로운 방법을 진화시켰음을 확인시켜 주었습니다. 기름진 닻을 사용하는 대신, 단백질은 꼬리 내부에 있는 두 개의 나선형 구조를 사용하여 마치 갈고리처럼 막에 직접 박혀 들어가는 방식을 사용합니다. 이 메커니즘 덕분에 단백질은 사라진 지질 부착 기제 없이도 막에 붙어 있을 수 있습니다.

연구진은 또한 이 단백질이 실제 박테리아 내부 어디에 위치하는지도 살펴보았습니다. 현미경과 빛을 내는 특수 항체를 사용하여, 그들은 이 단백질이 세포의 맨 가장자리와 박테리아가 둘로 나뉘는 분열선에 위치하고 있음을 확인했습니다. 이는 이 단백질이 실제로 세포의 외곽 구조의 일부로서, 일반적인 닻 시스템의 부재에도 불구하고 자신의 역할을 수행하고 있음을 입증합니다. 비록 연구팀이 다른 사라진 단백질들이 어떻게 고정되는지는 아직 밝혀내지 못했지만, 이 한 가지 단백질의 행동은 박테리아가 대부분의 종에게 치명적일 수 있는 문제에 대해 얼마나 영리한 해결책을 찾아냈는지를 보여줍니다.

이 발견은 세포벽이 두 개의 층으로 이루어진 박테리아에게 지질 닻 시스템이 필수불가결하다는 기존의 오랜 가설에 도전합니다. Orientia tsutsugamushi는 지질 부착을 위한 복잡한 기제를 버리고 이를 직접적인 구조적 해결책으로 대체함으로써, 생물학적 구조를 극도로 단순화하여 생존하고 번성해 왔습니다. 이 박테리아는 보편적이고 복잡한 시스템을 더 단순하고 직접적인 방식의 벽 고정법으로 맞바꾼 것으로 보입니다. 이러한 적응은 아마도 경보를 울리는 표준적인 분자 신호를 생성하지 않음으로써 숙주의 면역 체계로부터 보이지 않게 숨는 데 도움을 줄 것입니다. 이 연구는 생명체가 다른 생물의 세포 내부에서 살아가는 환경에 적응해야 할 때, 박테리아 생물학의 가장 근본적인 규칙조차도 다시 쓰일 수 있음을 시사합니다.