Conserved fermentation-associated genomic architecture and lineage-associated variation in lactic acid bacteria

우유를 요거트로, 양배추를 사워크라우트로, 포도를 와인으로 바꾸는 박테리아들은 젖산균(lactic acid bacteria)이라 불리는 거대한 가문에 속합니다. 이 미생물 작업자들은 한 가지 특정한 일로 유명한데, 바로 당을 먹고 이를 젖산으로 전환하는 것입니다. 이 과정은 음식을 보존하고 톡 쏘는 풍미를 더해줍니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 유기체들이 이러한 공유된 생활 방식을 바탕으로 함께 묶여 왔으며, 발효를 위한 내부 기계 장치가 대체로 동일할 것이라고 가정해 왔습니다. 그러나 이 박테리아들의 유전 코드를 읽는 기술이 발전하면서 더욱 복잡한 모습이 드러났습니다. 이들은 모두 동일한 광범위한 과업을 수행하지만, 그들의 유전적 청사진은 각자가 서식하는 특정 환경에 따라 매우 다양하게 형성되었습니다. 이는 근본적인 질문을 던집니다. 만약 이 박테리아들이 유전적으로 매우 다르게 보인다면, 그들도 발효를 위한 서로 다른 도구 세트를 보유하고 있는 것일까요, 아니면 모든 박테리아가 공통으로 지니고 있는 숨겨진 변하지 않는 핵심이 있는 것일까요?

새로운 연구는 507개의 서로 다른 박테리아 게놈을 조사함으로써 이에 대한 답을 찾고자 했습니다. 연구진은 흔히 식물과 발효 식품에서 발견되는 종인 L. plantarum을 포함하는, 잘 알려진 Lactiplantibacillus(락티플란티바실러스)라는 특정 그룹에 초점을 맞췄습니다. 그들이 발견한 것을 이해하려면, 발효가 단순히 하나의 단계가 아니라 일련의 화학적 경로라는 점을 아는 것이 도움이 됩니다. 박테리아의 대사를 당이 원재료로 들어가는 공장 작업장이라고 생각해 보십시오. 당은 메인 컨베이어 벨트에 들어가 분해된 후, 결정적인 교차점에 도달합니다. 이 교차점에서 공장은 결과물을 어디로 보낼지 결정해야 합니다: 젖산, 아세테이트, 에탄올 또는 다른 부산물이 되어야 할까요? 이 연구는 이 각각의 단계를 구축하는 기계 장치를 위한 특정 유전자들을 찾아내어, 어떤 것들이 항상 존재하는지 그리고 어떤 것들이 박테리아 계통마다 변하는지를 확인하기 위해 7개의 기능적 그룹으로 분류했습니다.

연구진은 표준화된 방식으로 유전자를 읽어 462개의 Lactiplantibacillus 게놈과 그와 관련된 다른 박테리아 그룹들을 분석했습니다. 그들은 발효 과정을 운영하는 데 필요한 효소의 유전적 표식 역할을 하는 28개의 특정 생물학적 마커를 찾고 있었습니다. 결과는 매우 일관적이었습니다. 이 방대한 박테리아들 중 대다수에서 28개 중 27개의 마커가 모든 게놈에서 발견되었습니다. 아주 적은 사례에서 누락된 단 하나의 마커조차 99.35%의 샘플에서 존재했습니다. 이는 당을 처리하고 발효의 기본적인 화학 작용을 관리하는 데 필요한 핵심 유전자 세트가 이 다양한 그룹 전체에 걸쳐 거의 완벽하게 보존되어 있음을 의미합니다. 더욱 놀라운 점은, 연구 대상 중 많은 대표종을 가진 그룹 내의 네 가지 특정 종을 살펴보았을 때, 해당 종들의 모든 게놈이 28개의 마커를 모두 포함하고 있었다는 것입니다. 이는 이 박테리아들이 서로 다른 곳에 살고 있고 다른 많은 유전적 차이를 가지고 있음에도 불구하고, 발효를 위한 근본적인 도구 상자는 엄격하게 보존되어 있음을 시사합니다.

그러나 연구진이 이 박테리아들이 대사 교차점에서 내리는 결정들을 어떻게 다루는지 살펴보았을 때 이야기는 달라졌습니다. 메인 컨베이어 벨트와 아세테이트를 만드는 능력은 연구된 모든 박테리아 그룹에서 일관되게 나타났지만, 당의 최종 운명을 결정하는 유전자들은 훨씬 더 가변적이었습니다. 젖산을 만드는 기계와 핵심 화학 중간체인 피루베이트(pyruvate)를 처리하는 대안적 경로를 담당하는 유전자들은 박테리아 가족 간에 가장 현저한 차이를 보였습니다. 어떤 그룹은 결정 결정 유전자의 완전한 세트를 가지고 있었던 반면, 어떤 그룹은 세트의 일부가 결여되어 있었습니다. 이는 기본적인 발효 능력은 공유된 변하지 않는 특성이지만, 서로 다른 계통이 화학적 산출물의 균형을 맞추는 구체적인 방식에서 변이가 허용된다는 것을 나타냅니다.

연구는 박테리아가 동일한 유전자를 가지고 있다고 해서 반드시 모든 상황에서 똑같이 행동한다는 것을 의미하지 않는다고 결론짓습니다. 유전적 청사진은 박테리아가 '할 수 있는 것'을 정의하는 가능성의 메뉴를 제공하지만, 실제 결과는 그 유전자들이 어떻게 사용되느냐에 달려 있습니다. 연구진은 발효를 위한 유전자들이 너무나 안정적이어서, 서로 매우 다른 박테리아들 사이에서도 거의 변하지 않는 틀을 형성한다는 것을 발견했습니다. 우리가 보는 발효 표현형(phenotype), 즉 실제 맛과 부산물의 다양성은 이러한 핵심 유전자의 존재 여부가 아니라, 박테리아가 환경에 반응하여 이 유전자들을 어떻게 조절하느냐에 의해 주도될 가능성이 높습니다. 이 구분은 이 유기체들을 이해하는 데 매우 중요합니다. 게놈은 가능한 행동의 경계를 설정하지만, 최종 결과는 박테리아 주변 세계에 대한 역동적인 반응입니다.

가장 중요한 시사점 중 하나는 과학자들이 단순히 박테리아 게놈에서 유전자를 발견했다고 해서 그 박테리아가 항상 특정 화학 물질을 만들어낼 것이라고 가정해서는 안 된다는 것입니다. 예를 들어, 연구는 아세테이트를 만드는 유전자가 조사된 모든 그룹에서 존재함을 발견했지만, 이것이 모든 박테리아가 끊임없이 아세테이트를 생산한다는 것을 의미하지는 않습니다. 유전자의 존재는 산소 수치나 이용 가능한 음식의 종류와 같은 조건에 의해 활성화될 준비가 되어 있는 '역량'이 갖춰져 있음을 의미합니다. 연구진은 게놈이 고정된 운명이 아니라 잠재적 행동의 공간을 정의한다고 강조합니다. 이 발견은 왜 거의 동일한 발효 도구 상자를 가진 박테리아들이 서로 다른 음식이나 환경에서 서로 다른 결과를 만들어내는지 설명하는 데 도움이 됩니다.

또한 이 연구는 유전자만을 보고 행동을 예측하는 것의 한계를 강조합니다. 연구진은 발효의 유전적 지형을 성공적으로 지도화했지만, 실험실 환경에서 박테리아의 실제 화학적 산출물을 측정하지는 않았습니다. 연구진은 유전자가 어떻게 켜지고 꺼지는지, 혹은 각 효소가 실제로 얼마나 만들어지는지에 대한 데이터 없이는 최종 생성물을 완전히 예측할 수 없다고 언급했습니다. 이 연구는 사용 가능한 도구들의 지도로서, 핵심 세트는 놀라울 정도로 안정적이지만 그 도구들의 구체적인 적용 방식은 다양하다는 것을 보여줍니다. 이는 미래 연구를 위한 더 명확한 토대를 제공하며, 왜 어떤 요거트 배치가 다른 맛을 내는지, 혹은 왜 특정 균주가 특정 산업 공정에서 더 잘 작동하는지를 이해하기 위해서는 단순히 유전자의 존재를 넘어 그 유전자들이 어떻게 제어되는지를 연구해야 함을 시사합니다.

궁극적으로 이 연구는 박테리아 세계의 계층적 구조를 밝혀냅니다. 이 박테리아들이 필수적인 역할을 수행할 수 있게 해주는 견고하고 보존된 유전적 기초가 존재하며, 이 기초는 수백만 년의 진화를 거치며 안정적으로 유지되어 왔습니다. 이 기초 위에는 서로 다른 계통이 자신의 특정 틈새 시장에 맞게 대사 경로를 미세하게 조정한 변이의 층이 존재합니다. 이러한 변이는 핵심 기능을 해치지 않으면서 유연성을 확보할 수 있도록 최종 화학 생성물을 결정하는 경로에 집중되어 있습니다. 호기심 많은 관찰자에게 이는 우리가 발효 식품을 만드는 박테리아가 단순히 단순하고 균일한 기계가 아님을 의미합니다. 그들은 공유된 변하지 않는 핵심을 바탕으로 광범위한 전문화된 행동을 지원하며, 놀라울 정도로 안정적이면서도 동시에 놀라울 정도로 적응력이 뛰어난 유전적 구조 속에 살아가는 복잡한 유기체입니다.