Convergent evolution enables eicosanoid precursor biosynthesis by ‘first’ fatty acyl desaturases in insects

몸을 분주한 도시라고 상상해 보세요. 그 안에는 에이코사노이드(eicosanoids)라고 불리는 아주 작은 화학 전령들이 바쁘게 돌아다니며 긴급한 명령을 전달합니다. 이 전령들은 세포에게 언제 감염과 싸울지, 언제 성장할지, 심지어 언제 번식할지를 알려줍니다. 이 전령들을 만들기 위해 도시는 특정한 원재료가 필요합니다. 바로 다가불포화지방산(PUFAs)이라 불리는 길고 구불구불한 지방 사슬입니다. 대부분의 동물(인간 포함)에게는 이 사슬을 만드는 전문적인 공정 라인이 있습니다. 이 공정은 '프런트엔드(front-end)' 탈포화효소라는 일련의 분자 기계들을 사용합니다. 이 기계들은 숙련된 용접공과 같아서, 지방 사슬의 끝부분 근처의 매우 특정 지점에 이중 결합을 딱 붙여 넣음으로써, 단순한 지방을 신호 전달 준비가 된 복잡한 형태로 변형시킵니다.

하지만 곤충들에게는 미스터리가 하나 있습니다. 오랫동안 과학자들은 곤충의 유전체를 조사했지만, 이러한 특정 '프런트엔드' 용접공을 찾을 수 없었습니다. 마치 곤충 도시에는 배달 서비스는 있지만, 패키지를 만들 공장은 없는 것과 같았습니다. 이는 곤생의 필수 지방을 어떻게 만드는지에 대한 우리의 이해에 커다란 공백을 남겼습니다. 왜냐하면 곤충들은 그 일을 수행하는 데 필요한 도구조차 갖추지 못한 것처럼 보였기 때문입니다. 이 논문은 이 미스터리를 파고들며, 곤충들이 혹시 다른 종류의 작업을 수행하던 다른 종류의 기계를 사용하여 이 중요한 화학 전령들을 처음부터 만들어내는 영리한 우회로를 찾아냈을 가능성을 묻습니다.

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거대한 곤충 강탈 사건: 흰개미는 어떻게 새로운 공장을 세웠나

곤충 생화학의 세계에서, 로버트 하누스(Robert Hanus)와 미칼 투펙(Michal Tupec)이 이끄는 연구팀은 놀라운 진화적 즉흥 연주 사례를 발견했습니다. 그들은 곤충, 특히 흰개미와 그 친척들이 단순히 필수 지방을 만드는 능력을 잃어버린 것이 아니라, 실제로 다른 도구함에서 도구를 훔쳐와 그 일을 하도록 재설계했다는 사실을 밝혀냈습니다.

사라진 설계도
대부분의 동물에서 아라키돈산(에이코사노이드의 핵심 지방)을 만드는 과정은 엄격하고 잘 알려진 레시피를 따릅니다. 기본 지방에서 시작하여, 끝부분 근처에 이중 결합을 추가하고(이것이 '프런트엔드' 작업입니다), 사슬을 늘리고, 또 다른 이중 결합을 추가합니다. 이 '프런트엔드' 작업을 수행하는 효소를 FADS 유사 탈포화효소라고 합니다. 하지만 과학자들이 곤충의 DNA를 스캔했을 때, 이 특정 효소들은 어디에서도 찾아볼 수 없었습니다. 그것은 생물학적 막다른 골목이었습니다.

뜻밖의 영웅들: '퍼스트(First)' 탈포화효소
연구진은 곤충이 보통 '퍼스트' 탈포화효소(SCD 유사 효소)로 알려진 다른 유형의 효소를 모집했을 것이라고 의심했습니다. 보통 이 효소들은 입문 단계의 일꾼들로, 포화 지방(이중 결합이 없는 지방)을 가져와서 '첫 번째' 이중 결합을 추가하는 역할을 합니다. 이들은 기초를 놓는 건설 팀과 같습니다. 논문은 곤충의 일부 기초 레이어들이 진화하여, 마치 사라진 '프런트엔드' 기계처럼 사슬의 끝부분 근처에 이중 결합을 추가할 수 있는 숙련된 용접공이 되었다고 제안합니다.

흰개미의 돌파구
연구팀은 특히 Prorhinotermes simplex라는 종을 중심으로 흰개미에 집중했습니다. 그들은 흰개미가 이 '퍼스트' 탈포화효소 군집을 보유하고 있으며, 이를 FAD-B 서브패밀리라고 부른다는 것을 발견했습니다. 컴퓨터 모델링(단백질의 3D 구조를 예측하는 AlphaFold라는 도구 사용)과 실제 실험을 결방하여, 이 효소들이 놀라운 변신을 거쳤음을 증명했습니다.

• 모양의 변화: 연구진은 이 효소 내부에서 지방 사슬이 놓이는 '터널'을 관찰했습니다. 대부분의 곤충 FAD-B는 직선 고속도로처럼 길고 열려 있는 터널을 가지고 있습니다. 이 형태 덕분에 이들은 긴 지방 사슬(탄소 28개까지)을 보유할 수 있습니다.
• 새로운 기술: 연구진이 이 효소들을 효모 세포에서 테스트했을 때, 흰개미의 FAD-B는 단순히 시작 부분에 이중 결합을 추가하는 데 그치지 않고, 끝에서 5번째 위치에 이중 결합을 추가했습니다. 이것이 바로 에이코사노이드 전구체를 만드는 데 필요한 정확한 '프런트엔드' 동작입니다.
• 다재다능함: 더욱 인상적이게도, 흰개미의 이 두 가지 특정 버전의 효소(FAD-Bb 및 FAD-Bc)는 단순한 지방뿐만 아니라 이미 존재하는 복잡한 다가불포화 사슬도 다룰 수 있었습니다. 이들은 에이코디엔산(EDA)을 아라키돈산의 핵심 징검다리인 시아도닉산(ScA)으로 변환할 수 있었습니다.

새로운 경로
이 논문은 표준적인 '프런트엔드' 경로를 완전히 배제합니다. 흰개미 조직 내에서 연구진은 만약 곤충들이 기존의 표준 레시피를 사용하고 있다면 필요했을 중간 단계 지방(GLA 또는 DGLA 같은)의 흔적을 전혀 찾지 못했습니다. 대신, 그들은 다른 일련의 단서들을 발견했습니다: 높은 수준의 EDA와 시아도닉산입니다.

이로 인해 저자들은 다음과 같은 **비정형 경로(noncanonical pathway)**를 제안하게 되었습니다:

1. 흰개미는 표준 지방(리놀레산)을 가져와 EDA를 만들기 위해 사슬을 늘립니다.
2. FAD-B 효소(특히 FAD-Bc)가 개입하여 5번 위치에 이중 결합을 추가함으로써 시아도닉산을 생성합니다.
3. 마지막의 여전히 신비로운 단계(아마도 "Δ8" 탈포화효소일 것으로 추정되는)가 마지막 이중 결합을 추가하여 시아도닉산을 아라키돈산으로 바꿉니다.

이것이 중요한 이유
이 발견은 수렴 진화의 정수를 보여주는 사례입니다. 이는 자연이 문제를 해결하기 위해 반드시 똑같은 도구를 가질 필요는 없다는 것을 보여줍니다 포. 포유류가 특정 '프런트엔드' 용접공을 사용하는 동안, 흰개미는 동일한 작업을 수행하기 위해 '퍼스트' 용접공을 진화시켰습니다. 연구진은 이 능력이 흰개미에만 국한된 것이 아님을 확인했습니다. 그들은 잠자리, 물벼룩, 벌, 나방의 유사한 효소들을 테스트했고, 비록 그들이 흰개미처럼 복잡한 다가불포화 사슬을 아직 완벽히 다루지는 못하더라도, 많은 곤충이 이 '5번 위치' 기술을 가지고 있다는 것을 발견했습니다.

여전히 남은 미스터리
논문은 흰개미가 전구체를 만들기 위해 이 새로운 FAD-B 경로를 사용한다는 점은 증명했지만, 퍼즐의 한 조각은 여전히 풀리지 않은 채 남아 있습니다. 시아도닉산을 아라키돈산으로 변환하는 마지막 단계는 8번 위치에 이중 결합을 추가하는 효소가 필요합니다. 연구진은 흰개미의 다른 여러 효소들을 테스트했지만, 실험실 환경에서 이 마지막 단계를 수행할 수 있는 효소는 없었습니다. 그들은 해당 효소가 존재하며, 아마도 다른 단백질 가족 속에 숨어 있을 것이라고 추측하지만, 현재로서는 'Δ8 탈포화효소'의 정체는 비밀로 남아 있습니다.

거시적 관점
이 연구는 또한 흥미로운 사회적 반전을 드러냈습니다. 가장 중요한 효소인 FAD-Bc의 유전자는 불임의 일꾼이나 병정 흰개미보다 흰개미 군집의 번식 중인 왕과 여왕에게서 훨씬 더 높게 활성화됩니다. 이는 이러한 신호 전달 지방을 만드는 능력이 번식 및 수명과 밀접하게 연결되어 있어, 군집의 지도자들이 가문을 번창시키기 위한 화학적 도구를 갖출 수 있도록 보장한다는 것을 시사합니다.

요컨대, 이 논문은 곤충이 단순히 필수적인 대사 경로를 잃어버린 것이 아니라, 그것을 재발명했다는 것을 보여줍니다. 기존의 효소를 재활용하고 내부 터널을 재설계함으로써, 흰개미와 그 친척들은 새로운 공정 라인을 구축했습니다. 이는 진화의 세계에서 적절한 도구가 없다면, 가진 잔해들을 모아 언제든 새로운 도구를 만들 수 있다는 것을 증명합니다.