현재 지구상 가장 방사선 저항력이 강한 생명체

ㅇㅇ · 2024.10.17 22:55:02

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방사선은 DNA구조를 손상시키며 생명체가 가진 복구 능력을 넘어서는 피폭을 당하면 돌연변이와 암이 발생한다

그만큼 모든 생명체들에게 치명적이며, 때론 기계 장치에까지 영향을 끼친다

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인간은 5Gy의 방사선량에도 사망하며, 극한생물의 대명사로 언급되는 곰벌레조차 5000Gy의 방사선량에 노출되면 생명을 보장할 수 없다

※CT촬영 1회 시 노출량 약 8mGy

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하지만 Thermococcus gammatolerans (Tg) 라는 고균은 5000Gy에도 아무 문제 없이 생존이 가능하다

3만 Gy에 노출되어도 생존력이 약간 감소할 뿐 회복하며 견뎌낼 수 있어 현재 가장 방사선에 강한 생명체라는 타이틀을 가지고 있다

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이 고균은 2003년 캘리포니아 만 과이마스 분지의 심해 열수구에서 발견되었으며 섭씨 55-95도(최적 88도)의 황(S)을 포함한 절대혐기성 환경에서 자란다

그런 환경이니만큼 고온 고압에도 잘 자라는 미생물이지만 가장 이목을 끄는 것은 상술한 압도적인 DNA 복구력이다

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그 이유를 찾기 위해 여러 생명체들이 공통으로 가진 DNA 조절 단백질인 Proliferating cell nuclear antigen(PCNA)를 연구했다

PCNA는 자체적인 DNA조절 기작을 가지지 않지만 다른 DNA합성 및 복구 단백질들의 활동을 조정하는 방식으로 작용한다

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Tg유래 PCNA(TgPCNA)(a)는 인간을 포함 다양한 생명체들이 가진 PCNA들과 겹쳐 볼 때 형태가 유사했으나(b), 방사선에 의한 변성이 잘 이루어지지 않았다

연구 결과 타 PCNA보다 TgPCNA에서 방사선 저항력이 강한 아미노산인 아스파르트산과 글루탐산의 구성비율이 높은 반면, 고온에서 산화되기 쉬운 시스테인의 구성비율이 낮았다

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물이 방사선에 의해 분해될 때 활성산소종(ROS)이 생성되는데, 이것이 수용성 환경에서 세포손상 원인의 대부분을 차지한다

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DNA가 활성산소에 노출되면 8-oxoguanine (GO)과 8-oxodGTP (dGOTP)등의 돌연변이 유발물질이 생성된다

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이들을 DNA에서 제거하고 수정하는 역할을 하는 것이 base excision repair (BER) 시스템이다

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이 중 GO-DNA 글리코실라제(OGG)는 DNA에서 GO를 제거하는 역할을 하는데 고균이 가진 OGG를 AGOG라고 한다

다른 OGG는 복구를 담당하는 부위가 좁고 특이적이나 Tg의 AGOG는 매우 넓은 범위의 손상을 복구할 수 있다

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심해 열수구는 DNA 손상을 유발하는 중금속의 농도도 짙다

이에 Tg는 카드뮴, 코발트, 아연에 대한 높은 저항성을 가지고 있다

미생물이 카드뮴에 노출되면 철 흡수 방해 및 유전물질의 손상이 이루어진다

Tg는 카드뮴 이온이 들어오면 주위 환경에 풍부한 황을 통해 황화 카드뮴으로 만든다

이렇게 황으로 카드뮴을 감싸는 형태로 독성을 감소시키고 상술한 BER 시스템으로 손상부위를 복구한다

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그리고 카드뮴에 노출될 시 세포 외 물질유출을 담당하는 유전자 82개 중 11개의 활성이 증가하는 것이 관찰되었다

정확한 기전이 밝혀지진 않았지만 저 유전자들이 카드뮴 유출을 담당한다고 추측된다

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하지만 다른 방사선 내성 미생물들과 다른 특징을 가진 것은 여전한 의문점이다

일반적으로 세포의 방사선 저항성은 성장 단계에 따라 차이가 난다

저항성이 강한 생명체라도 세포분열 주기일 때 저항력이 감소하나, Tg는 세포 주기에 상관없이 일정한 저항성을 보였다

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또한 호기성 방사선 내성 미생물들은 망간 이온을 이용한 항산화 효소를 사용해 활성산소를 제거하는데, 그에 따라 세포질 내의 Mn/Fe 비가 높게 나타난다

그러나 Tg를 포함한 혐기성 방사선 내성 미생물들은 방사선에 취약한 대장균 등과 비슷한 Mn/Fe비를 가지는데도 강한 저항력을 보인다

이러한 방사선 저항성에 대해선 또다른 의문이 존재한다

분명 이 Tg가 존재하는 곳은 자연방사능이 높은 열수구 근처이고, 고온 또한 DNA 변성 요소이며 각종 중금속들까지 산재한 환경이긴 하나 이 정도까지 철저한 DNA 복구요소가 존재할 필요는 없다는 것이다

열수구의 자연방사선이 강하다곤 하지만 Tg는 측정된 가장 강한 자연방사선량보다 몇 자릿수나 더 저항력이 높다

필요 이상의 기능은 진화압력을 받아 빠르게 사라지게 되는데 여지껏 이어져 온 것이 미스테리라는 것이다

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우주방사선의 단계까지 가야 어느 정도 상대가 되는 수준이라 소수 의견으로는 외우주 유래 생명체가 아니냐는 가능성 낮은 추측을 하기도 한다(Panspermia설)

이렇듯 아직 많은 궁금증이 남아 있지만, 생태 특성상 고온 고압을 유지해야 하는 등 배양 조건이 까다롭기 때문에 많은 연구가 이루어지지 힘든 상황이다

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때문에 미생물의 방사능 저항에 대한 연구는 이보다 박테리아인 Deinococcus radiodurans에 대해 많이 이루어지고 있다

15000Gy까지 버틸 수 있어 Tg에 미치지 못하는 수준이나, 1950년에 발견되어 연구자료도 많이 쌓인 데다 배양 조건도 덜 까다롭기 때문이다

실제로 방사능 저항성을 이용한 오염지역 복구나 자외선차단제 개발, 데이터 저장 및 외계미생물 연구는 이 박테리아 위주로 진행되고 있다

그럼에도 Tg에 대한 연구는 계속되고 있는데, 비단 가장 저항력이 강하다는 것 뿐 아니라 고균의 특성상 인간과 유전적 거리가 가까워 높은 호환성을 지닌다는 장점이 있기에 느리지만 지속적인 연구가 이루지고 있다

Franck, C., Stéphane, G., Julien, C., Virginie, G., Martine, G., Norbert, G., Fabrice, C., Didier, F., Josef, S. M., & Bertrand, C. (2022). Structural and functional determinants of the archaeal 8-oxoguanine-DNA glycosylase AGOG for DNA damage recognition and processing. Nucleic acids research, 50(19), 11072–11092.

Venancio-Landeros, A. A., Rudiño-Piñera, E., & Cardona-Félix, C. S. (2016). Cloning, recombinant production and crystallographic structure of Proliferating Cell Nuclear Antigen from radioresistant archaeon Thermococcus gammatolerans. Biochemistry and biophysics reports, 8, 200–206.

Zivanovic, Y., Armengaud, J., Lagorce, A., Leplat, C., Guérin, P., Dutertre, M., Anthouard, V., Forterre, P., Wincker, P., & Confalonieri, F. (2009). Genome analysis and genome-wide proteomics of Thermococcus gammatolerans, the most radioresistant organism known amongst the Archaea. Genome biology, 10(6), R70.

Webb, K. M., & DiRuggiero, J. (2012). Role of Mn2+ and compatible solutes in the radiation resistance of thermophilic bacteria and archaea. Archaea (Vancouver, B.C.), 2012, 845756.

Marín-Tovar, Y., Serrano-Posada, H., Díaz-Vilchis, A., & Rudiño-Piñera, E. (2022). PCNA from Thermococcus gammatolerans: A protein involved in chromosomal DNA metabolism intrinsically resistant at high levels of ionizing radiation. Proteins, 90(9), 1684–1698.

Lagorce, A., Fourçans, A., Dutertre, M., Bouyssiere, B., Zivanovic, Y., & Confalonieri, F. (2012). Genome-wide tranional response of the archaeon Thermococcus gammatolerans to cadmium. PloS one, 7(7), e41935.

Daly M. J. (2012). Death by protein damage in irradiated cells. DNA repair, 11(1), 12–21.

Vaidyanathan G. (2017). Science and Culture: Could a bacterium successfully shepherd a message through the apocalypse?. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114(9), 2094–2095.

출처: 싱글벙글 지구촌 갤러리 [원본 보기]

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