시베리아의 영구 동토층에서 4만6천년 동안 얼었다가 다시 살아난 선충류 발견
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-07-30 21:51:40
3'30" 읽기
- 2018년에 시베리아 콜리마강 근처의 영구 동토층에서 냉동 선충 몇 마리를 회수
- 실험실에서 선충 해동했을 때 아직 살아 있어 아무 일도 없었다는 듯이 다시 움직이고 먹기 시작
- 선충류가 지질학적 기간을 넘어서도 생존할 수 있는 진화된 메커니즘
완보동물, 로티퍼 또는 선충류:
동물계에는 극한의 추위, 가뭄 또는 산소 부족에서도 살아남을 수 있는 종이 있다. 이를 위해 이 동물들은 특별한 휴식 단계인 크립토바이오시스에 들어간다. 이 지구력 상태에서 신진대사는 대체로 휴식을 취하는 동시에 특수 분자가 서리나 탈수로 인한 손상으로부터 세포와 조직을 보호한다.
영구 동토층에서 발견된 것은 유기체가 얼었을 때에도 얼마나 오래 생존할 수 있는지를 보여준다. 과학자들은 1,500년 전에 얼어붙은 이끼, 700년 된 바이러스, 24,000년 된 로티퍼를 발견하고 부활시켰다.
냉동 46,000년
이제 다른 생존자가 그들과 합류했다. 상트페테르부르크 동물학 연구소의 Anastasia Shatilovich가 이끄는 팀은 이미 2018년에 시베리아 콜리마강 근처의 영구 동토층에서 냉동 선충 몇 마리를 회수했다. 수십 미터 높이의 절벽에서 수만 년 동안 얼어붙은 빙하기 시대의 지층이 드러났다.
40m 깊이의 층에서 연구자들은 빙하기 동물 굴의 잔해를 발견해 여러 샘플을 채취했다. 식물 잔해와 다른 유기 물질 외에도 그들은 이 냉동 물질에서 분명히 생명이 없는 두 마리의 선충을 발견했다. 식물 재료의 방사성 탄소 연대 측정 결과 선충류를 포함한 표본의 나이는 4만5839~4만7769년 사이인 것으로 나타났다. 따라서 동물은 마지막 빙하기가 절정에 이르기 전에 동결되었다.
부활한 빙하기 선충류는 새로운 종이다
놀라운 것은 Shatilovich와 그녀의 동료들이 실험실에서 회충을 조심스럽게 해동했을 때 선충이 아직 살아 있다는 것이 밝혀졌다. 그들은 아무 일도 없었다는 듯이 다시 움직이고 먹기 시작했다. 드레스덴에 있는 막스 플랑크 분자 세포 생물학 및 유전학 연구소의 수석 저자인 테이무라스 쿠르츠찰리아(Teymuras Kurzchalia)는 "이 동물들은 선충류에서 관찰된 가장 긴 잠복생물증(cryptobiosis)을 수만 년 연장했다"고 말했다.
그 이후로 연구팀은 두 선충을 100세대 동안 사육하고 선충이 어떻게 냉동실에서 그렇게 오래 생존할 수 있었는지 알아보기 위해 광범위한 생리학적 및 유전적 테스트를 거쳤다. 이 동물들의 게놈을 알려진 선충 종의 게놈과 비교했을 때, 그것은 이전에 알려지지 않은 Panagrolaimus 속의 종인 것으로 밝혀졌다. Panagrolaimus kolymaensis로 알려진 빙하기 회충은 토양에 서식하는 처녀생식 선충류 그룹에 속하며 이미 암호생물화 능력으로 알려져 있다.
영하 80도에서 살아남기
다음으로 연구진은 빙하기 선충이 어떤 조건에서 생존 상태에 들어가는지 조사했다. 이를 위해 그들은 발달의 여러 단계에 있는 선충류의 배양물을 갑작스럽게 또는 짧은 리드 타임으로 극한 조건에 노출시켰다. 동물을 영하 80도까지 차갑게하고 건조하고 저산소 조건에 노출시켰다.
Shatilovich와 그녀의 동료들은 "소수의 선충류가 이 가혹한 건조와 동결 조건 없이도 살아남았다"고 보고했다. 그러나 선충류가 쇼크 동결에 앞서 단기간 동안 음식 부족 및 습도 감소와 같은 불리하지만 덜 극단적인 조건에 노출되었을 때 생존율이 상당히 더 높았다. 이러한 "경고 단계"에서 인기 있는 실험실 선충류인 Caenorhabditis elegans의 유충도 크립토바이오시스에 빠질 수 있다.
탈수 및 서리 손상에 대한 달콤한 보호
더 자세한 조사 결과:
실험실 선충류의 동면 유충과 유사하게 빙하기 회충도 "경고 기간" 동안 유전자 활동과 신진대사를 변화시킨다. 이것은 이제 다량의 설탕 트레할로오스를 생산할 수 있게 한다. 연구원들이 관찰한 바와 같이 생산은 이 단계에서 20배 증가했다. 두 개의 연결된 포도당 분자로 구성된 트레할로스는 일부 곤충과 완보동물이 서리 손상과 탈수로부터 보호하기 위해 사용하기도 한다.
트레할로스는 세포와 세포벽을 안정화시키고 조직에서 과도하게 크고 날카로운 얼음 결정이 형성되는 것을 방지한다. 이렇게 하면 선충이 세포를 파열하지 않고 조직이 "냉동 화상"을 입지 않고 완전히 동결될 수 있다. 그러나 실험실 선충류인 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)과는 달리 새로 발견된 빙하기 종인 Panagrolaimus kolymaensis의 모든 생활 단계는 보호당을 생산할 수 있으므로 장기간의 서리와 가뭄에서도 생존할 수 있다.
지속시간에 상한선이 있을까?
Shatilovich와 그녀의 동료들은 "우리의 연구는 선충류가 지질학적 기간을 넘어서도 생존할 수 있는 진화된 메커니즘을 가지고 있음을 보여준다"고 썼다. 이것은 또한 이들과 다른 동물들이 그러한 장기적인 지속성을 통해 진화에 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. cryptobiosis 일시 중지는 세대 시간을 수천 년으로 연장하고 멸종된 혈통을 부활시킬 수도 있다.
그러나 빙하기 선충류는 이 지속성에도 상한선이 있는지에 대한 의문을 제기한다. 연구자들은 그러한 영구적인 단계의 생존이 얼거나 건조한 후에 환경 조건이 얼마나 안정적으로 유지되는지에 달려 있다고 생각한다. Shatilovich와 그녀의 팀은 "암호생물증의 지속 시간은 주변 온도, 방사능 또는 기타 비생물적 요인의 강한 변동과 같은 환경의 급격한 변화에 의해서만 제한될 수 있다"고 추측한다.
(PLoS Genetics, 2023; doi: 10.1371/journal.pgen.1010798)
출처: PLOS
- 2018년에 시베리아 콜리마강 근처의 영구 동토층에서 냉동 선충 몇 마리를 회수
- 실험실에서 선충 해동했을 때 아직 살아 있어 아무 일도 없었다는 듯이 다시 움직이고 먹기 시작
- 선충류가 지질학적 기간을 넘어서도 생존할 수 있는 진화된 메커니즘
선충류는 얼음 속에서 4만6천 년을 생존한다.
연구팀, 빙하기 영구동토 선충의 생존 비법 해독
얼음 생존자:
시베리아의 영구 동토층에서 연구자들이 46,000년 동안 얼었다가 다시 살아난 선충류를 발견했다. 그것은 선충류에서 입증된 가장 긴 지속성이다. 실험과 유전자 분석을 통해 이제 빙하기 회충이 어떻게 그렇게 오랫동안 냉동 상태에서 생존할 수 있는지, 그리고 추위와 탈수로부터 자신을 보호하기 위해 무엇을 사용하는지가 밝혀지고 있다. 이 발견은 또한 그러한 cryptobioses의 상한선이 어디에 있는지에 대한 질문을 제기한다.
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| ▲ 이 선충류인 Panagrolaimus kolymaensis는 영구 동토층에서 46,000년 동안 얼었다가 다시 살아난 두 동물의 자손이다. © Shatilovich et al./ PLoS Genetics, CC-by 4.0 |
완보동물, 로티퍼 또는 선충류:
동물계에는 극한의 추위, 가뭄 또는 산소 부족에서도 살아남을 수 있는 종이 있다. 이를 위해 이 동물들은 특별한 휴식 단계인 크립토바이오시스에 들어간다. 이 지구력 상태에서 신진대사는 대체로 휴식을 취하는 동시에 특수 분자가 서리나 탈수로 인한 손상으로부터 세포와 조직을 보호한다.
영구 동토층에서 발견된 것은 유기체가 얼었을 때에도 얼마나 오래 생존할 수 있는지를 보여준다. 과학자들은 1,500년 전에 얼어붙은 이끼, 700년 된 바이러스, 24,000년 된 로티퍼를 발견하고 부활시켰다.
냉동 46,000년
이제 다른 생존자가 그들과 합류했다. 상트페테르부르크 동물학 연구소의 Anastasia Shatilovich가 이끄는 팀은 이미 2018년에 시베리아 콜리마강 근처의 영구 동토층에서 냉동 선충 몇 마리를 회수했다. 수십 미터 높이의 절벽에서 수만 년 동안 얼어붙은 빙하기 시대의 지층이 드러났다.
40m 깊이의 층에서 연구자들은 빙하기 동물 굴의 잔해를 발견해 여러 샘플을 채취했다. 식물 잔해와 다른 유기 물질 외에도 그들은 이 냉동 물질에서 분명히 생명이 없는 두 마리의 선충을 발견했다. 식물 재료의 방사성 탄소 연대 측정 결과 선충류를 포함한 표본의 나이는 4만5839~4만7769년 사이인 것으로 나타났다. 따라서 동물은 마지막 빙하기가 절정에 이르기 전에 동결되었다.
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| ▲ (A) 러시아 시베리아 북동부의 콜리마 강에 있는 Duvanny Yar 노두의 위치. https://climate.copernicus.eu/sites/default/files/inline-images/C3S_indicator_sea_ice_sidebar_figS2_branded.png) (https://climate.copernicus.eu/data-protection-and-privacy-statement) (B) 보기 얼음 쐐기와 영구 동토 실트 퇴적물로 구성된 노두의 상부. (C) 연구된 설치류 차용 위치(빨간색 원)를 보여주는 예금의 Lithostratigraphic 체계. (D) 영구 동토 퇴적물에 묻힌 초본 깔짚과 씨앗이 있는 화석 설치류 굴; m a.r.l. = 강 위의 미터. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1010798.g001 |
부활한 빙하기 선충류는 새로운 종이다
놀라운 것은 Shatilovich와 그녀의 동료들이 실험실에서 회충을 조심스럽게 해동했을 때 선충이 아직 살아 있다는 것이 밝혀졌다. 그들은 아무 일도 없었다는 듯이 다시 움직이고 먹기 시작했다. 드레스덴에 있는 막스 플랑크 분자 세포 생물학 및 유전학 연구소의 수석 저자인 테이무라스 쿠르츠찰리아(Teymuras Kurzchalia)는 "이 동물들은 선충류에서 관찰된 가장 긴 잠복생물증(cryptobiosis)을 수만 년 연장했다"고 말했다.
그 이후로 연구팀은 두 선충을 100세대 동안 사육하고 선충이 어떻게 냉동실에서 그렇게 오래 생존할 수 있었는지 알아보기 위해 광범위한 생리학적 및 유전적 테스트를 거쳤다. 이 동물들의 게놈을 알려진 선충 종의 게놈과 비교했을 때, 그것은 이전에 알려지지 않은 Panagrolaimus 속의 종인 것으로 밝혀졌다. Panagrolaimus kolymaensis로 알려진 빙하기 회충은 토양에 서식하는 처녀생식 선충류 그룹에 속하며 이미 암호생물화 능력으로 알려져 있다.
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| ▲ 그림 2. 암컷 P. kolymaensis의 일반적인 형태. 홀로타입의 주사 전자 사진(A, C), 광학 현미경 사진(E, F) 및 그래픽 프리젠테이션(B, D, G): A, B) 전신, C, D) 전방 말단, E) 전방 신체, F ) 외음부 신체 부위, G) 꼬리. 약어: l.f.–외측 필드, ov–난소, 인두의 pro–procorpus, 인두의 tb–말단 구근, 계란이 있는 u–자궁, v–외음부, vp–복부 기공. 축척 막대: A, D, E, F, G– 20 μm, B– 100 μm, C– 2 μm. 적게 표시(출처;관련논문 A novel nematode species from the Siberian permafrost shares adaptive mechanisms for cryptobiotic survival with C. elegans dauer larva / PLOS Genetics) Published: July 27, 2023 |
영하 80도에서 살아남기
다음으로 연구진은 빙하기 선충이 어떤 조건에서 생존 상태에 들어가는지 조사했다. 이를 위해 그들은 발달의 여러 단계에 있는 선충류의 배양물을 갑작스럽게 또는 짧은 리드 타임으로 극한 조건에 노출시켰다. 동물을 영하 80도까지 차갑게하고 건조하고 저산소 조건에 노출시켰다.
Shatilovich와 그녀의 동료들은 "소수의 선충류가 이 가혹한 건조와 동결 조건 없이도 살아남았다"고 보고했다. 그러나 선충류가 쇼크 동결에 앞서 단기간 동안 음식 부족 및 습도 감소와 같은 불리하지만 덜 극단적인 조건에 노출되었을 때 생존율이 상당히 더 높았다. 이러한 "경고 단계"에서 인기 있는 실험실 선충류인 Caenorhabditis elegans의 유충도 크립토바이오시스에 빠질 수 있다.
탈수 및 서리 손상에 대한 달콤한 보호
더 자세한 조사 결과:
실험실 선충류의 동면 유충과 유사하게 빙하기 회충도 "경고 기간" 동안 유전자 활동과 신진대사를 변화시킨다. 이것은 이제 다량의 설탕 트레할로오스를 생산할 수 있게 한다. 연구원들이 관찰한 바와 같이 생산은 이 단계에서 20배 증가했다. 두 개의 연결된 포도당 분자로 구성된 트레할로스는 일부 곤충과 완보동물이 서리 손상과 탈수로부터 보호하기 위해 사용하기도 한다.
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| ▲ 두 개의 연결된 포도당 분자로 구성된 당 트레할로오스는 세포와 조직을 탈수와 동결 손상으로부터 안정화시킨다. © 퍼블릭 도메인 |
트레할로스는 세포와 세포벽을 안정화시키고 조직에서 과도하게 크고 날카로운 얼음 결정이 형성되는 것을 방지한다. 이렇게 하면 선충이 세포를 파열하지 않고 조직이 "냉동 화상"을 입지 않고 완전히 동결될 수 있다. 그러나 실험실 선충류인 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)과는 달리 새로 발견된 빙하기 종인 Panagrolaimus kolymaensis의 모든 생활 단계는 보호당을 생산할 수 있으므로 장기간의 서리와 가뭄에서도 생존할 수 있다.
지속시간에 상한선이 있을까?
Shatilovich와 그녀의 동료들은 "우리의 연구는 선충류가 지질학적 기간을 넘어서도 생존할 수 있는 진화된 메커니즘을 가지고 있음을 보여준다"고 썼다. 이것은 또한 이들과 다른 동물들이 그러한 장기적인 지속성을 통해 진화에 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. cryptobiosis 일시 중지는 세대 시간을 수천 년으로 연장하고 멸종된 혈통을 부활시킬 수도 있다.
그러나 빙하기 선충류는 이 지속성에도 상한선이 있는지에 대한 의문을 제기한다. 연구자들은 그러한 영구적인 단계의 생존이 얼거나 건조한 후에 환경 조건이 얼마나 안정적으로 유지되는지에 달려 있다고 생각한다. Shatilovich와 그녀의 팀은 "암호생물증의 지속 시간은 주변 온도, 방사능 또는 기타 비생물적 요인의 강한 변동과 같은 환경의 급격한 변화에 의해서만 제한될 수 있다"고 추측한다.
(PLoS Genetics, 2023; doi: 10.1371/journal.pgen.1010798)
출처: PLOS
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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