Mutual genetic alterations in the E. coli-T4 system

박테리아와 바이러스가 상호작용하는 미시 세계에서는 오랫동안 관찰되어 온 지속적이고 보이지 않는 전쟁이 벌어지고 있다. 흔한 대장균(E. coli)과 같은 박테리아는 박테리오파지라고 불리는 바이러스의 공격을 자주 받는데, 이 바이러스들은 박테리아 세포 안에 자신의 유전 물질을 주입하여 박테리아의 기계를 하이재킹하고 새로운 바이러스를 생성한 뒤, 결국 세포를 터뜨려 버린다. 이 과정은 매우 효율적이어서, 과학자들이 영양 젤리 위에 박테리아를 배양하고 바이러스를 도입하면, 바이러스는 박테리아의 잔디밭(lawn)을 통해 투명하고 원형인 구멍을 뚫어 놓는데, 이를 플라크(plaque)라고 부른다. 수십 년 동안 이 투명한 구멍을 둘러싼 기묘한 현상이 관찰되어 왔다. 즉, 시간이 지남에 따라 투명한 구역의 가장자리에 형성되는 뿌연, 흐릿한 고리 또는 '탁한 헤일로(turbid halo)'이다. 과학자들은 수년 동안 이 고리를 목격해 왔지만, 그것이 무엇으로 구성되어 있는지, 왜 나타나는지를 완전히 이해하지 못했다. 지배적인 생각은 바이러스가 박테리아의 세포벽을 부분적으로 분해하는 효소를 방출하여 흐릿한 가장자리를 만든다는 것이었다. 그러나 이러한 설명은 헤일로가 나타난 후 투명한 구멍의 중심부가 더 이상 성장하지 않는다는 관찰 결과와 일치하지 않았으며, 이는 단순한 화학적 침식보다 더 복잡한 일이 일어나고 있음을 시사했다.

연구팀은 이 미스터리를 조사하기 위해 그 뿌연 고리 속에 살고 있는 박테리아를 면밀히 관찰하며 연구를 시작했다. 그들은 헤일로를 형성하는 세포들이 단순히 손상되거나 죽어가는 것이 아니라, 근본적으로 변했다는 사실을 발견했다. 바이러스에 의해 쉽게 죽임을 당했던 원래의 박테리아는 바이러스의 공격으로부터 살아남을 수 있는 새로운 저항성 균주로 변모했다. 이러한 변이는 느리고 무작위적인 사고가 아니라, 감염 과정 중에 방출된 특정 신호에 의해 유도된 빠르고 직접적인 변화였다. 연구진은 이 신호가 죽은 박테리아의 액체 잔해 속에 담긴 유전적 요원이며, 이것이 생존한 세포로 들어가 그들의 유전적 지침을 다시 써서 방금 이웃들을 죽인 바이러스에 대해 면역력을 갖게 한다는 것을 발견했다.

이야기는 여기서 끝나지 않았다. 박테리아가 살아남기 위해 변화한 것처럼, 바이러스 또한 맞서 싸우기 위해 변화했다. 연구진이 새로 형성된 저항성 박테리아를 원래의 바이러스와 함께 영양분이 부족한 환경에서 섞었을 때, 바이러스는 단순히 사멸하지 않았다. 대신, 이 바이러스는 저항성 박테리아를 감염시킬 수 있는 새로운 형태를 진화시켰다. 연구진이 '안티-헤일로(anti-halo)' 바이러스라고 부른 이 새로운 바이러스 변종은 변형된 박테리아의 방어벽을 뚫을 수 있었다. 이후에는 적응을 향한 지속적인 주고받기 식의 순환이 이어졌다. 박테리아가 새로운 방어책을 진화시킴에 따라 바이러스는 그것을 깨뜨릴 새로운 방법을 진화시켰고, 그러면 다시 박테리아가 진화하는 방식이었다. 이 두 존재를 혼합한 액체 배양액에서 연구진은 불과 며칠 만에 박테리아 인구의 최대 절반과 바이러스 인구의 최대 절반이 이러한 유전적 변화를 겪는 것을 관찰했다. 시스템은 끊임없이 고속 진화하는 상태였으며, 두 유기체가 서로의 변화를 이끌어내는 역동적인 춤을 추고 있었다.

이 과정이 어떻게 일어나는지 이해하기 위해 연구팀은 이러한 변화가 일어나는 조건을 조사했다. 그들은 박테리아의 변형에 특정한 환경이 필요하다는 것을 발견했다. 즉, 박테리아가 바이러스 플라크의 가장자리처럼 영양분이 고갈되는 것과 유사하게 영양분이 부족한 상태에 있어야 했다. 이러한 굶주림의 상태에서 박테리아는 '컴피턴트(competent, 형질전환능력이 있는)' 상태, 즉 주변의 외래 유전 물질을 흡수할 준비가 된 생물학적 상태가 된다. 연구진은 감염된 배양액에 바이러스 자체보다 더 작은, 눈에 보이지 않는 요원이 저항성을 위한 지침을 운반하고 있음을 보여주었다. 굶주린 박테리아가 이 요원을 흡수했을 때, 그들은 즉시 저항성을 가진 헤일로 균주가 되었다. 반대로, 이 저항성 박테리아를 감염시킬 수 있는 새로운 바이러스를 만들기 위해서는 다른 재료들이 필요했다. 연구진은 저항성 박테리아, 원래의 바이러스, 그리고 원래의 감염 혼합물에서 나온 특정 파편들을 결합하여, 저항성 박테리아의 방어를 극복할 수 있는 새로운 바이러스 변종을 만들어냈다.

연구진은 이러한 관찰 결과에 대한 몇 가지 더 단순한 설명들을 배제했다. 그들은 이 저항성이 단순히 기아로 인한 박테리아 성장의 일시적인 중단이 아님을 입증했는데, 왜냐하면 저항성을 가진 박테리아는 풍부한 영양분을 공급받아 다시 성장하게 해도 면역력을 유지했기 때문이다. 또한, 바이러스가 박테리아를 천천히 먹어 치우고 있기 때문에 플라크의 투명한 중심부가 확장되지 않는 것이 아니라, 가장자리의 박테리아가 스스로를 유전적으로 변화시켜 바이러스의 전진에 대한 강력한 정지선을 만들었기 때문에 바이러스가 확장을 멈춘다는 것을 보여주었다. 나아가, 그들은 이 빠른 변화가 일반적으로 오랜 기간을 두고 진화를 주도하는 느리고 무작위적인 돌연변이의 결과가 아님을 발견했다. 대신, 변화가 매우 높은 빈도와 속도로 일어났기 때문에, 이는 생명체들이 생존을 위해 유전 정보를 능동적으로 교환하거나 흡수하는 직접적인 유전적 교환 메커니즘을 가리킨다는 점을 밝혀냈다.

이 발견은 박테리아와 바이러스의 관계가 기존에 생각했던 것보다 훨씬 더 유동적이고 상호작용적이라는 점을 시사한다. 한쪽이 이기고 다른 쪽이 지는 정적인 전투라기보다, 두 존재는 한쪽의 생존이 다른 쪽의 적응 능력에 달려 있는 지속적인 상호 변화의 고리에 묶여 있다. 연구진은 이러한 과정이 자연계에서 유전적 형질이 퍼지는 방식을 이해하는 데 중요한 의미를 가질 수 있으며, 바이러스를 사용하여 박테리아 감염을 치료하려는 미래 전략에도 영향을 미칠 수 있다고 언급했다. 과학자들은 영양 수준이나 특정 유전적 신호의 존재와 같이 이러한 급격한 변화를 촉발하는 구체적인 조건을 이해함으로써, 박테리아와 바이러스가 어떻게 진화하는지 더 잘 예측하거나 통제할 수 있을 것이다. 이 연구는 미시 세계에서 공격자와 방어자의 경계가 고정된 것이 아니라, 갈등 행위 그 자체에 의해 끊임없이 다시 그려지고 있음을 보여준다.