10년 전만 해도 아스가르드 고균이 존재한다는 사실을 아는 사람은 아무도 없었다. 하지만 2015년, 심해 퇴적물을 조사하던 연구자들은 이전에 발견되지 않았던 새로운 미생물 형태를 나타내는 유전자 조각을 발견했다. 연구자들은 컴퓨터의 도움을 받아 퍼즐 조각처럼 이런 조각들을 조립하여 전체 게놈을 편찬했다. 그때 서야 ​​그들은 이전에 알려지지 않았던 고균군을 다루고 있다는 것을 깨달았다. 박테리아와 마찬가지로 고균은 단세포 유기체이다. 그러나 유전적으로 두 도메인 간에는 상당한 차이가 있으며, 특히 세포 외피와 대사 과정에 관한 것이다.

추가 수색 후, 미생물학자들은 해당 유기체를 식별하고, 설명하고, 별도의 고균 하위 그룹인 아스가르드 고균으로 분류했다. 북유럽 신화 천상의 영역에서 따온 그 이름은 노르웨이와 스발바르 사이의 대서양 중부 산맥에 있는 검은 연기가 나는 로키의 성 근처에서 처음 발견되었다는 것을 알려준다. 사실, 아스가르드 고균은 연구에 있어서 하늘이 내린 선물과도 같았다. 이들은 고균과 진핵생물 사이의 잃어버린 고리로 밝혀졌다. 다시 말해, 고균과 식물, 동물과 같이 세포에 핵이 있는 생물체 사이의 고리로 밝혀졌다.

가지가 하나 적은 생명나무
최근 몇 년 동안 연구자들은 아스가르드 고균과 진핵생물 사이의 긴밀한 연관성에 대한 징후가 점점 더 많아지고 있으며, 후자가 전자에서 진화했을 수도 있다는 것을 알아냈다. 모든 생물을 박테리아, 고균, 진핵생물의 세 영역으로 나누는 것은 이 놀라운 발견에 부응하지 못했다. 그 이후로 일부 연구자들은 진핵생물을 아스가르드 고균 내의 한 그룹으로 간주할 것을 제안했다. 이는 생명의 도메인 수를 3개에서 2개로 줄일 것이다. 즉, 진핵생물을 포함한 고균과 박테리아이다.

ETH 취리히의 마틴 필호퍼 교수와 그의 팀은 아스가르드 고균에 매료되어 있으며 수년간, 이 신비한 미생물을 조사해 왔다. 2년 전 네이쳐(Nature)지에 게재된 논문에서 ETH 연구원들은 로키아케움 오시패룸(Lokiarchaeum ossiferum)의 세포 구조와 구조에 대한 세부 사항을 탐구했다. 슬로베니아의 기수 수로 퇴적물에서 유래한 이 아스가르드 고균은 비엔나 대학교의 크리스티나 슈레퍼(Christa Schleper) 연구실 연구원들이 분리했다.

그 연구에서 필호퍼와 그의 박사후 연구원인 징웨이 쉬와 플로리안 울베버는 로키아르카이움 오시페룸이 진핵생물에서 흔히 볼 수 있는 특정 구조로 되어 있다는 것을 증명했다. 필호퍼는 "우리는 그 종에서 진핵생물에서 발견되는 단백질과 매우 유사한 액틴 단백질을 발견했으며, 지금까지 발견된 거의 모든 아스가르드 고균에서 발견됩니다."라고 말한다.

첫 번째 연구에서 연구자들은 다양한 현미경 기술을 결합하여 이 단백질(로키아크틴이라고 함)이 특히 미생물의 수많은 촉수와 같은 돌출부에서 필라멘트 구조를 형성한다는 것을 보여주었다. "그것들은 아스가르드 고균의 복잡한 세포 구조의 골격을 형성하는 것으로 보입니다."라고 플로리안 울베버는 덧붙였다.

진핵생물은 액틴 필라멘트 외에도 미세소관을 가지고 있다. 이 튜브 모양의 구조는 세포골격의 두 번째 핵심 구성 요소이며 수많은 튜불린 단백질로 구성되어 있다. 이 작은 튜브는 세포 내 수송 과정과 세포 분열 중 염색체 분리에 중요하다.

이 미세소관의 기원은 지금까지 불분명했다. 셀(Cell)지에 새로 게재된 기사에서 ETH 연구원들은 아스가르드 고균에서 관련 구조를 발견하고 그 구조를 설명했다. 이 실험은 아스가르드 튜불린이 진핵생물 친척의 미세소관보다 작지만 매우 유사한 미세소관을 형성한다는 것을 보여준다. 그러나 이러한 미세소관을 형성하는 로키아르케움 세포는 극소수에 불과하다. 그리고 액틴과 달리 이러한 튜불린 단백질은 아스가르드 고균의 극히 일부 종에만 나타난다.

과학자들은 아직 로키아르케아에서 튜불린이 왜 그렇게 드물게 나타나는지, 또는 세포에 왜 필요한지 이해하지 못하고 있다. 진핵생물에서 미세소관이 없는 것은 세포 내 수송 과정을 담당한다. 어떤 경우에는 모터 단백질이 이 튜브를 따라 걷는다. ETH 연구원들은 아직 아스가르드 고균에서 그러한 모터 단백질을 관찰하지 못했다.

"그러나 우리는 이러한 튜불린에서 형성된 튜브가 한쪽 끝에서 자란다는 것을 보여주었습니다. 따라서 우리는 이들이 진핵생물의 미세소관과 유사한 수송 기능을 수행할 것으로 생각합니다." Cell 연구의 공동 1저자인 징위 주(Jingwei Xu) 박사의 말이다. 그는 곤충 세포와 함께 세포 배양에서 튜불린을 생산하고 구조를 조사했다.

미생물학, 생화학, 세포생물학, 구조생물학 분야의 연구자들이 이 연구에 긴밀히 협력했다. "이 학제간 접근 방식이 없었다면 우리는 결코 이렇게 멀리까지 발전하지 못했을 것입니다." 필호퍼는 어느 정도 자부심을 가지고 말했다.

세포골격은 복잡한 생명체의 발달에 필수적이었을까? 일부 의문은 아직 답이 나오지 않았지만, 연구자들은 세포골격이 진핵생물의 진화에서 중요한 단계였다고 확신한다. 이 단계는 오래전 아스가르드의 고균이 부속기관으로 박테리아를 발견했을 때 일어났을 가능성이 있다. 진화 과정에서 이 박테리아는 현대 세포의 발전소 역할을 하는 미토콘드리아로 발전했다. 시간이 지나면서 핵과 다른 구획이 진화했고 진핵 세포가 탄생했다.

"이 놀라운 세포골격은 아마도 이 발달의 시작에 있었을 것입니다. 그것은 아스가르드 고균이 부속기를 형성할 수 있게 했고, 그로 인해 박테리아와 상호작용하고, 박테리아를 붙잡아 삼킬 수 있었을 것입니다."라고 필호퍼는 말한다.

아스가르드 고균 낚시
필호퍼와 그의 동료들은 이제 액틴 필라멘트와 고균 튜불린, 그리고 이에 따라 생성되는 미세소관의 기능에 주목하기로 계획하고 있다. 그들은 또한 연구자들이 이 미생물의 표면에서 발견한 단백질을 식별하는 것을 목표로 한다. 필호퍼는 그의 팀이 이 단백질에 정확하게 맞춰진 항체를 개발할 수 있기를 바라고 있다. 이를 통해 연구자들은 혼합 미생물 배양에서 아스가르드 고균을 특별히 "낚을" 수 있을 것으로 기대한다.

"우리는 아직도 아스가르드 고균에 대해 많은 미해결 의문을 가지고 있습니다. 특히 진핵생물과의 관계와 특이한 세포 생물학에 대한 의문이 많습니다. 이 미생물의 비밀을 추적하는 것은 흥미진진합니다." 연구를 이끌고 있는 필호퍼 박사가 앞으로 연구 계획에 대한 각오를 전달했다.

[참조]
Wollweber F, Xu J, et al. Microtubules in Asgard archaea. Cell, 2025 DOI: 10.1016/j.cell.2025.02.027