원핵생물이 변이를 얻는 법 — 돌연변이와 수평적 유전자 이동

앞 글을 질문으로 끝냈습니다. 원핵생물은 이분법으로 번식합니다. 감수분열도 없고 배우자도 없고, 갈라져 나온 두 세포는 부모와 유전적으로 같습니다. 그런데 왜 이렇게 빨리 적응할까요?

이 질문이 중요한 이유를 먼저 말해 두겠습니다. 소진화를 배울 때 우리는 변이의 원천을 두 가지로 정리했어요. 돌연변이와 유성생식의 유전적 재조합. 그런데 원핵생물에게는 두 번째가 없습니다. 선택이 작용할 재료가 반쪽뿐인 셈이죠.

그런데 실제로는 그 반대입니다. 원핵생물 집단은 우리가 아는 어떤 생물보다 빨리 새 형질을 획득합니다. 빈자리를 메우는 두 번째 축이 따로 있기 때문이에요. 오늘은 그 두 축을 봅니다. 그리고 그 축 하나가 다음 챕터의 바이러스와 직접 연결됩니다.

축 ① 돌연변이 — 확률은 낮지만 횟수가 압도한다

돌연변이 자체는 특별할 게 없습니다. DNA가 복제될 때 생기는 오류이고, 원핵생물에서도 진핵생물에서도 같은 종류의 실수가 일어납니다. 유전자 하나에 복제 한 번당 오류가 생길 확률은 아주 낮아요. 교재에서 흔히 드는 값이 수천만 번에 한 번 수준입니다.

그런데 이 낮은 확률이 원핵생물에서는 전혀 낮게 작동하지 않습니다. 이유가 둘인데, 둘 다 곱해집니다.

• 세대가 짧다. 대장균은 조건이 좋으면 20분쯤에 한 번 분열합니다. 사람의 한 세대가 수십 년인 것과 비교해 보세요. 같은 시간에 복제 횟수가 비교가 안 되게 많습니다.
• 개체 수가 막대하다. 작은 배양액 한 방울, 사람 장 속 한 구획에도 세포가 어마어마하게 들어 있습니다. 확률이 1천만분의 1이어도 개체가 수십억이면 매 세대마다 그 돌연변이를 가진 세포가 반드시 나타납니다.

여기서 이 글에서 가장 중요한 사고의 전환이 하나 나옵니다. 희박한 확률은 큰 수에 지면 희박하지 않습니다. 원핵생물의 진화 속도는 특별한 메커니즘 때문이 아니라, 평범한 메커니즘이 엄청난 횟수로 반복되기 때문에 빠릅니다.

그리고 짚어야 할 지점. 돌연변이는 환경이 요구해서 생기는 게 아닙니다. 항생제가 있다고 해서 세포가 내성 돌연변이를 만들어 내는 게 아니에요. 돌연변이는 항생제와 무관하게 늘 무작위로 생기고 있고, 항생제는 그중 어느 것이 살아남을지를 사후에 고를 뿐입니다. 이 구분이 항생제 내성 편의 핵심이고, 서술형에서 가장 자주 깎이는 자리입니다.

마지막으로, 이분법으로 늘어난 집단은 기본적으로 클론입니다. 그래서 그 집단에 쌓이는 변이는 돌연변이가 만든 것뿐이고, 변이의 폭이 넓어지는 데 한계가 있어요. 넓히려면 남의 유전자를 들여와야 합니다.

축 ② 수평적 유전자 이동 — 방향이 다른 전달

용어부터 정확히 갈라 놓겠습니다.

구분	수직적 전달	수평적 유전자 이동
방향	부모 → 자손 (세대를 따라 아래로)	개체 → 개체 (같은 세대 안에서 옆으로)
상대	자기 자손	남, 심지어 다른 종
개체 수	늘어난다	늘지 않는다
예	이분법, 유성생식	형질전환 · 형질도입 · 접합

표의 세 번째 줄을 눈에 박아 두세요. 수평적 유전자 이동은 번식이 아닙니다. 세포 수가 늘지 않아요. 유전자를 받은 세포가 유전적으로 달라질 뿐입니다. 이 한 줄이 아래 '접합' 부분의 오개념을 미리 막아 줍니다.

그리고 "다른 종에서도 받는다"가 정말 중요합니다. 사람은 다른 종의 유전자를 평생 단 한 개도 받을 수 없습니다. 그런데 세균은 받습니다. 완전히 다른 종이 수백만 년에 걸쳐 갈고닦은 유용한 유전자를, 한 번의 접촉으로 통째로 복사해 올 수 있다는 뜻이에요. 진화의 속도가 다를 수밖에 없습니다.

이동 경로는 세 가지입니다. 하나씩 보겠습니다.

형질전환 — 환경에 떠 있는 DNA를 줍는다

형질전환은 세포가 주변 환경에 있는 맨 DNA 조각을 직접 흡수해 자기 유전체에 넣는 것입니다. 중개자가 아무도 없어요. 죽은 세균이 터지면서 흘러나온 DNA 조각이 근처에 있으면, 그걸 집어 올립니다.

모든 세균이 아무 때나 하는 건 아닙니다. 외부 DNA를 받아들일 수 있는 상태를 수용능이 있다고 하고, 종에 따라 특정 조건에서만 그 상태가 됩니다. DNA를 붙잡아 끌어들이는 전용 단백질이 작동하는 능동적인 과정이에요. "구멍으로 흘러들어간다"는 식의 수동적 그림이 아닙니다.

역사적으로 이 현상이 유전학을 바꿔 놓았습니다. 1928년 그리피스가 폐렴을 일으키는 세균으로 실험하다가, 병을 일으키지 못하는 균주가 열로 죽인 병원성 균주와 섞이면 병원성을 획득한다는 걸 발견했어요. 죽은 세포의 무엇인가가 산 세포의 형질을 바꾼 겁니다. 그리피스는 그 '무엇'이 DNA인지 몰랐습니다. 그 정체를 밝힌 후속 연구가 결국 DNA가 유전물질이라는 결론으로 이어졌죠.

지금은 이 현상을 실험실에서 도구로 씁니다. 인공적으로 세포막 투과성을 높여 플라스미드를 억지로 집어넣는 조작이 유전자 클로닝의 기본 단계예요. 자연에서 일어나는 일을 사람이 통제된 조건으로 재현한 셈입니다.

형질도입 — 바이러스가 배달한다

형질도입은 세균을 감염하는 바이러스, 즉 파지가 유전자를 옮기는 경우입니다. 그런데 파지가 친절하게 배달해 주는 게 아닙니다. 포장 실수의 결과예요.

과정을 따라가 보죠. 파지가 세균에 들어가 자기 유전체를 복제하고 껍데기를 만들어 조립합니다. 이때 세균의 DNA는 조각나 있는데, 껍데기에 파지 DNA 대신 세균 DNA 조각이 잘못 들어가는 일이 생깁니다. 그런 입자가 다음 세균에 들어가면, 주입되는 건 파지 유전자가 아니라 이전 숙주 세균의 유전자입니다. 받은 세균은 남의 유전자를 얻는 거죠.

여기서 중요한 포인트. 형질도입은 바이러스가 세균 사이를 오가며 유전자를 실어 나르는 통로라는 뜻입니다. 그래서 다음 챕터를 배울 때 바이러스를 "병을 일으키는 것"으로만 보면 절반을 놓칩니다. 바이러스가 무엇인가를 다룰 때 이 역할을 다시 짚겠습니다. 생태계에서 바이러스는 유전자를 재분배하는 운반체이기도 합니다.

전달 범위에도 차이가 있습니다. 세균 염색체의 거의 아무 구간이나 실려 갈 수 있는 경우가 있고, 파지 유전체가 세균 염색체에 끼어 있다가 빠져나올 때 옆에 붙어 있던 특정 구간만 함께 떨어져 나오는 경우도 있어요. 뒤쪽은 늘 같은 유전자만 옮겨진다는 뜻이고, 그 차이는 파지가 잠복 상태로 들어가는 방식과 맞물립니다.

접합 — 직접 접촉해서 건네준다

접합은 두 세포가 직접 붙어서 DNA를 한쪽에서 다른 쪽으로 건네는 것입니다. 앞 글에 나온 성선모가 여기서 쓰입니다.

흐름은 이렇습니다.

1. 주는 쪽 세포가 성선모를 뻗어 받는 쪽 세포에 닿는다.
2. 두 세포가 가까이 붙어 통로가 만들어진다.
3. DNA가 한 방향으로만 복사돼 넘어간다.

주는 쪽이 되려면 자격이 필요합니다. 그 자격을 주는 DNA 구간이 F 인자예요. F 인자에는 성선모를 만들고 전달 통로를 꾸리는 유전자들이 들어 있습니다. F 인자를 가진 세포가 주는 쪽(F⁺), 없는 세포가 받는 쪽(F⁻)이 됩니다.

전달이 끝나면 받은 쪽도 F 인자를 갖게 되니, 이제 그 세포도 남에게 줄 수 있습니다. 이 성질 때문에 F 인자는 집단 안에서 빠르게 퍼집니다.

F 인자가 별도의 플라스미드로 따로 있는 경우도 있고, 세균의 주 염색체 안에 끼어들어 가 있는 경우도 있습니다. 후자일 때는 전달이 시작되면 F 인자만 넘어가는 게 아니라 그 뒤에 이어진 염색체 유전자들까지 순서대로 끌려 들어갑니다. 접촉이 중간에 끊기면 거기까지만 전달되죠. 초기 유전학자들이 이 성질을 이용해 전달 시간 순서로 세균 염색체의 유전자 순서를 알아냈다는 게 재미있는 대목입니다. 유전자 지도를 시계로 그린 셈이에요.

접합은 유성생식이 아닙니다 — 오늘의 1번

이 단락을 위해 앞의 설명을 다 깔았습니다. 접합을 보고 "세균의 유성생식"이라고 쓰는 학생이 정말 많아요. 성선모라는 이름에 '성'이 들어가 있고, 두 세포가 붙어서 DNA를 주고받는다는 그림이 수정처럼 보이니까요.

틀렸습니다. 유성생식이 되려면 갖춰야 할 것들이 있는데, 접합은 그중 어느 것도 갖추지 않습니다.

항목	유성생식	접합
개체 수	새 개체가 생긴다	늘지 않는다 — 두 세포가 그대로 둘
감수분열	있다	없다
배우자	있다 (난자·정자 등)	없다
유전물질	양쪽 것이 합쳐져 한 벌이 된다	한 방향으로 복사돼 넘어갈 뿐
결과	부모와 다른 자손	받은 쪽 세포 하나가 달라짐

정리하면 이렇습니다. 접합은 번식이 아니라 유전자 전달입니다. 번식은 이분법으로 따로 하고, 접합은 그 번식과 무관하게 변이를 들여오는 별개의 사건이에요. 둘이 분리돼 있다는 게 원핵생물의 특징입니다. 사람은 번식과 유전적 섞임이 한 번에 묶여 있지만, 세균은 따로 합니다.

쌤 한마디 — 이렇게 생각하면 안 섞입니다. 유성생식은 "둘이 만나 새것 하나", 접합은 "둘이 만나 그대로 둘, 그중 하나만 업데이트". 소프트웨어 패치에 더 가깝습니다. 그리고 답안에 쓸 때는 반드시 "개체 수가 늘지 않으므로 번식이 아니다"라는 문장을 넣으세요. 이 한 문장이 채점 기준에 그대로 들어가 있는 경우가 많습니다.

세 경로를 한 표로

경로	DNA가 오는 길	중개자	세포 접촉	기억 포인트
형질전환	환경에 떠 있는 맨 DNA	없음	필요 없음	줍는다 — 그리피스 실험
형질도입	이전 숙주 세균의 DNA	파지(바이러스)	필요 없음	배달된다 — 포장 실수
접합	살아 있는 다른 세포의 DNA	없음 (직접 접촉)	필요함 — 성선모	건네받는다 — F 인자

셋을 구별하는 가장 빠른 질문은 "DNA가 어디서 왔나"입니다. 죽은 세포가 남긴 것이면 형질전환, 바이러스 껍데기 속에 들어 있었으면 형질도입, 살아 있는 세포에서 직접 왔으면 접합. 이 질문 하나로 세 개가 갈립니다.

변이는 돌연변이만으로 오지 않는다 — 원핵생물은 남의 유전자를 가져온다 — 송쌤생명과학 자체 제작

플라스미드와 전이인자 — 유전자를 들고 다니는 장치

수평적 유전자 이동이 실제로 무엇을 옮기는지 보면, 플라스미드가 자주 등장합니다. 앞 글에서 본 그 작은 고리 DNA예요. 주 염색체와 따로 복제되고, 없어도 세포는 살지만 있으면 특별한 능력이 생깁니다.

그중 악명 높은 것이 R 플라스미드입니다. 여기에는 항생제를 분해하거나 밖으로 퍼내는 유전자들이 실려 있어요. 문제는 두 가지가 겹치는 데서 생깁니다.

• R 플라스미드는 보통 여러 항생제에 대한 내성 유전자를 한꺼번에 담고 있습니다. 하나를 받으면 여러 약이 동시에 안 듣게 되는 거죠.
• 그리고 접합으로 옮겨 다닙니다. 종의 경계를 넘어서요. 한 종류의 세균이 획득한 내성이 다른 종으로 건너갈 수 있습니다.

여기에 하나 더 얹히는 게 전이인자입니다. 유전체 안에서 자리를 옮겨 다닐 수 있는 DNA 구간인데, 염색체와 플라스미드 사이를 오가면서 유전자를 실어 옮기기도 합니다. 그래서 염색체에 있던 내성 유전자가 플라스미드로 옮겨 타면, 그 순간부터 이동할 수 있는 형태가 됩니다. 집에 있던 가구가 바퀴를 달게 되는 셈이에요.

그래서 소진화 이론과 어떻게 맞물리나

여기서 자연선택과 유전적 부동 편의 틀을 다시 꺼내 봅시다. 거기서 분명히 했던 것이 있습니다. 변이를 만드는 과정과 방향을 정하는 과정은 다르다.

오늘 본 네 가지는 전부 변이를 만드는 쪽입니다. 돌연변이, 형질전환, 형질도입, 접합. 어느 것도 "유용한 쪽으로" 작동하지 않습니다. 받아 온 유전자가 쓸모없을 수도 있고 해로울 수도 있어요.

방향을 정하는 건 선택입니다. 항생제가 있는 환경에서 내성 유전자를 가진 세포만 살아남으면, 그건 방향성 선택이고 결과적으로 집단의 유전자 구성이 바뀝니다. 세대가 짧아 그 변화가 몇 주, 몇 달 단위로 눈에 보인다는 게 원핵생물이 진화 연구의 모범 재료가 된 이유예요.

그런데 수평적 유전자 이동은 소진화의 표준 모형에 하나를 더 보탭니다. 원래 집단유전학에서 유전자 흐름은 같은 종의 다른 집단에서 오는 것이었어요. 그런데 수평적 이동은 종의 경계를 넘어옵니다. 집단의 개념도, 종의 개념도 원핵생물에서는 다루기가 훨씬 까다로워지는 이유입니다.

후속 질문 — 그럼 세균의 계통수는 어떻게 그리나

여기까지 오면 자연스럽게 걸리는 게 있습니다. 계통수는 "유전자가 부모에서 자손으로만 전달된다"는 가정 위에서 그려집니다. 그래서 가지가 갈라지면 다시 만나지 않아요.

그런데 유전자가 옆으로도 건너다닌다면? 어떤 유전자로 나무를 그리느냐에 따라 계통 관계가 다르게 나오는 일이 실제로 생깁니다. 지금의 세균·고세균 계통 연구에서는 나무가 아니라 가지 사이에 연결선이 얽힌 그물에 가까운 그림을 그려야 한다는 지적이 계속 나오는 상황입니다.

그래서 유전체 비교를 할 때도 유전자를 가려서 씁니다. 수평적으로 잘 옮겨 다니지 않는 유전자, 즉 생존에 핵심적이고 다른 유전자들과 긴밀히 맞물려 있어서 바꿔치기가 어려운 유전자가 계통 분석에 더 믿을 만한 재료예요. 다음다음 글에서 볼 리보솜 RNA 유전자로 세 역을 나눈 연구가 왜 리보솜을 골랐는지가 여기서 설명됩니다. 아무 유전자나 고른 게 아니었습니다.

여기서 제일 많이 틀립니다

• 접합을 유성생식이라고 쓴다 — 오늘의 1번입니다. 개체 수가 늘지 않고, 감수분열도 배우자도 없고, 전달은 한 방향입니다. 번식이 아니라 유전자 전달입니다.
• "항생제에 노출되면 세균이 내성 돌연변이를 만든다"로 쓴다 — 순서가 거꾸로입니다. 돌연변이는 항생제와 무관하게 늘 무작위로 일어나고, 항생제는 그중 무엇이 남을지를 고를 뿐입니다.
• 형질도입과 형질전환을 섞는다 — 바이러스가 끼면 형질도입, 환경의 맨 DNA를 직접 흡수하면 형질전환입니다. "도입"에 매개자가 있다고 묶어 두세요.
• 수평적 유전자 이동으로 세포 수가 늘어난다고 생각한다 — 늘지 않습니다. 세포의 유전적 내용이 달라지는 사건입니다.
• F 인자를 '수컷 유전자'처럼 이해한다 — 성별이 아니라 전달 장치를 만드는 유전자 묶음입니다. 받은 세포도 곧바로 주는 쪽이 될 수 있다는 게 성별과 다른 결정적 차이예요.
• 원핵생물에는 재조합이 없다고 단정한다 — 유성생식에 따르는 재조합이 없는 것이고, 들여온 DNA가 염색체에 끼어 들어가는 재조합은 일어납니다.
• 플라스미드를 세균의 필수 유전체로 본다 — 없어도 살 수 있는 부가 유전체입니다. 그래서 '있으면 유리한' 유전자가 실려 다니기 좋습니다.

쌤 한마디 — 이 단원은 세특 소재로 아주 좋습니다. 특히 "내성 유전자가 왜 종의 경계를 넘어 퍼지는가"를 R 플라스미드와 접합으로 설명하면, 생물학 개념 하나가 곧바로 사회적 문제로 이어지는 글이 됩니다. 이때 꼭 빠뜨리지 말아야 할 논리가 있어요. 내성은 항생제가 만든 게 아니라 항생제가 고른 것이고, 고를 재료는 돌연변이와 수평적 이동이 공급했다. 이 두 단계를 분리해서 쓰면, 개념을 외운 게 아니라 메커니즘을 이해했다는 게 드러납니다.

정리하면

원핵생물의 변이는 두 축에서 나옵니다. 첫째 돌연변이인데, 유전자당 확률은 아주 낮지만 세대가 짧고 개체 수가 막대해 집단 전체로는 끊임없이 새 변이가 공급됩니다. 둘째 수평적 유전자 이동으로, 같은 세대 안에서 심지어 다른 종에서 유전자를 들여옵니다.

경로는 셋입니다. 형질전환은 환경의 맨 DNA를 직접 흡수하는 것, 형질도입은 파지가 포장 실수로 세균 DNA를 실어 옮기는 것, 접합은 F 인자를 가진 세포가 성선모로 접촉해 DNA를 한 방향으로 건네는 것입니다. 접합은 개체 수가 늘지 않으므로 유성생식이 아닙니다.

이 전달의 운반체로 플라스미드가 쓰이고, 그중 R 플라스미드는 여러 항생제 내성 유전자를 한꺼번에 실어 종의 경계를 넘나듭니다. 그리고 이렇게 공급된 변이에 선택이 방향을 줍니다. 변이는 재료, 선택은 방향이라는 원칙은 여기서도 그대로입니다.

그러면 이제 다른 질문으로 넘어갑니다. 원핵생물은 이렇게 얻은 유전자로 도대체 무엇을 하고 있을까요? 놀랍게도 지구에서 가능한 에너지 획득 방식의 거의 전부를 원핵생물이 쓰고 있습니다. 빛을 쓰는 것, 돌에서 에너지를 뽑는 것, 공기 중의 질소를 붙잡는 것까지요. 다음 글에서 그 방식을 네 갈래로 깔끔하게 정리하겠습니다. 표 한 장으로 끝납니다.