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박테리아 복잡성은‘처음 왔습니까?’에 대한 아이디어를 수정합니다.


수십 년 전에 출판 된 기본 생물학 교과서를 열거나 몇 달 전에 출판 한 후, 두 가지 주요 범주의 세포를 같은 방식으로 정의 할 것입니다. 진핵 생물은 유전자 정보를 저장하는 핵을 포함하여 소기관이라는 막-결합 구획을 가지고 있지만, 원핵 생물은 그렇지 않습니다. 그리스어로“진핵 생물”이라는 단어는“진정한 커널”(핵에 대한 언급)을 의미하는 반면,“원핵은”를 의미하는 반면,“핵심”을 의미합니다.

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진화론적인 이야기가 일반적으로 들리 듯이, 먼저 원핵 생물이 나왔는데, 종종 복잡한 구조가없는 단순한 효소 가자로 구상되는 고고와 박테리아. 그런 다음 15 억 년이 넘게 진핵 생물이 진화하여 전례없는 세포의 복잡성의 출현을 표시하고 지구상의 생명을 영구적으로 변형시켜 동물, 식물, 곰팡이 및 원광 주의자의 부상을 허용했습니다. 진핵 생물은 전임자들로부터 상당한 출발을 나타내 었으며, 모든 프로카 카르와 유전자 세계에서 진핵 생물을 함유 한 세계로의 전환은 종종 갑작스럽고 폭발적인 것으로 묘사된다.

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그러나이 버전의 사건은 지난 수십 년 동안 연구자들이 막 결합 소기관을 포함한 원핵 생물 내에서 많은 복잡한 구조를 조용히 밝혀 내고 있다는 사실을 무시합니다. 모두 공통된 소기관을 갖는 진핵 생물과는 달리, 다른 원핵 생물 그룹은 그들 자신의 특수 구획을 보여줍니다. 1979 년에 발견 된 한 종류의 박테리아 소기관은 본질적으로 지질 패키지에 싸인 작은 자석입니다. 다른 하나는 에너지 대사에 중요한 일련의 반응을 주최합니다. 여전히 다른 사람들은 영양소의 작은 저장 장치 역할을합니다.

그리고 과학자들이 간단한 박테리아 세포 내에서 점점 더 많은 구획을 발견함에 따라 그 목록은 성장하고 있습니다. 호주 퀸즐랜드 대학교의 미생물 학자 인 존 푸에 스는“박테리아는 훨씬 더 복잡하고, 사람들이 과거에 가정했던 것보다 진핵 생물과 생물학에서 훨씬 더 유사 할 수있다. 진핵 생물을 특성화하는 더 친숙한 사람들과 흥미로운 유사점과 함께이 박테리아에 소기관의 존재는 과학자들이 세포 복잡성의 진화에 대해 어떻게 생각하는지 수정하도록 유도했습니다.

새로운 카탈로그

버클리 캘리포니아 대학교의 미생물학자인 아라 쉬 코미 닐리 (Arash Komeili)는“역사적으로 사람들은 오랫동안 특정 기능을 오랫동안 수행하는 박테리아 세포의 구획에 대해 알고 있습니다. 그러나 진핵 생물 소기관은 수십 년 동안 매우 상세하게 연구되어 왔지만 최근 원핵 생물에서는 그렇게 할 수있게되었습니다. 박테리아는 작습니다 :전형적인 진핵 세포보다 크고, 때로는 진핵 생물의 소기관보다 작습니다. 그로 인해 박테리아 구획을 분리하고 분석하여 그들이 무엇을하고 있는지, 무엇을하고 있는지 이해하기가 매우 어려워졌습니다. (1970 년대에 독특한 원핵 생물 왕국으로 만 인식 된 Archaea는 박테리아보다 훨씬 덜 감시를 받았습니다.) 더 나은 이미징 기술은 결국 그러한 연구를 더 쉽게 만들기 시작했습니다.

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박테리아 소기관에 대한 가장 잘 연구 된 것은 지질 이중층 막 내에 자성 입자를 구축하는 자석류, 원형 구조가있다. 소기관은 수생 "자기 자석"박테리아가 지구의 자기장을 따라 수직으로 변하는 저 산소 깊이를 향해 수직으로 탐색하도록 허용합니다. Komeili와 그의 동료들은 자기 소소함이 어떻게 세포 자손으로 구축, 유지 및 나중에 분할되는지에 관여하는 유전자와 단백질을 식별하고 있습니다.

Komeili는“피상적 인 수준에서 많은 활동들과 그들이 보는 방식조차도 진핵 생물 세포가 소기관을 만드는 방법을 연상시킵니다.”라고 말했습니다. 최소한, 그들의 기능은 연어와 귀환 비둘기를 포함한 일부 동물의 자기장을 탐지하는 능력과 유사합니다. 4 월에 발표 된 논문에서 연구원들은 한 종의 원생이 자기 박테리아와의 공생 관계를 통해이를 달성했다고보고했습니다.

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그러나 자기 소솜은 혼자가 아닙니다. 과학자들은 종종 다른 것을 찾는 동안 다른 기괴한 박테리아 구획을 우연히 발견했습니다. 이들 중 다수는 가장 엄격한 정의에 의해 소기관으로 간주되지 않을 수 있지만, 소기관은 세포막에서 완전히 분리 된 지질 바운드 구조이어야합니다. 일부는 법안에 맞습니다.

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감도 화 된 예는 플랑코 마이 세트로 알려진 타원형 수생 박테리아 그룹에 나타납니다. 일부 종의 플랑크토 마이 세트는 아나 폼 모소 좀이라 불리는 막-결합 소기관을 함유하며, 이는 독성 중개자와 함께 질소를 생성하는 화학 반응을 격리시킨다. 아나모 무스 솜은 박테리아의 에너지 공장과 같은 작용, 미토콘드리아는 진핵 생물에서와 마찬가지로 미토콘드리아가있는 것처럼 공생의 잔재는없는 것처럼 보이지만.

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또 다른 종류의 planctomycete는 몇 년 동안 논란의 원천이었습니다. 수십 년 전, Fuerst와 다른 사람들의 2 차원 영상화는 박테리아의 DNA가 gemmata avburiglobus 임을 나타냅니다. 막으로 둘러싸여 진핵 생물 핵과의 비교를 즉시 높였다. 이러한 결과는 의문의 여지가 있습니다. 이미징은 구획이 완전히 닫히지 않았다는 것을 나타내는 것으로 보입니다. 즉, 소기관의 정의를 만족 시키지는 않지만 전문가들은 이러한 박테리아에 대해 흥분합니다. 그들은 현재까지 원핵 생물에서 볼 수있는 가장 복잡한 내부 막 시스템을 가지고 있으며, 진핵 생물 막을 형성하고 유지하는 것과 유사한 단백질을 함유하고 있습니다. 그들은 또한 세포 내부의 영양소를 소화하고 스테롤이라는 분자를 합성하는 것과 같이 진핵 생물에 고유 한 것으로 생각되는 과정이 가능해 보인다.

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“문제는 기본적으로 [이 막 시스템]에 대해 아무것도 모른다는 것입니다. "우리는 여전히 그것이하는 일, 그것이 어떻게하는지, 그리고 관련된 분자에 대한 매우 제한된 견해를 가지고 있습니다."

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박테리아는 또한 지질 막이 아니라 단백질 코트에 의해 결합 된 다양한 밀폐 구조를 갖는 것으로 보인다. 탄소를 고정하기 위해 박테리아로 두 번 진화 한 Carboxysomes를 두 번 섭취하십시오. 그것들과 작고자가 조립 된 나노 구근자는 바이러스 성장 물질을 둘러싸는 단백질 껍질 인 바이러스 성 캡시드처럼 충격적으로 보이는 다면체 구조를 가지고 있습니다.

카탈로그는 계속 길어지고 있습니다. Komeili와 그의 동료들은 최근에 철분을 불렀던 철을 축적하는 새로운 지질 바운드 소기관을 발견했습니다. 박테리아는 그러한 소기관의 뿔이있는 것으로 보이며, 더 많이 발견되기를 기다리고 있습니다. 과학자들은 이제 진핵 생물 진화의 맥락에서 그것이 의미하는 바를 탐구하기 시작했습니다. 그들은 성장하는 구조 목록 사이에 직접적인 진화 관계를 확립하거나 구획화와 복잡성에 독특하고 필요한 요소를 찾아 내기를 희망합니다.

진화 후 향수로서의 핵

진핵 생물이 어떻게 진화했는지에 대한 질문은 다양한 세포 혁신이 등장하는 순서와“첫 번째 진핵 생물의 진화 전에 고대와 박테리아에 실제로 얼마나 많은 특징이 존재했는지를 중심으로 진행되는 경향이있다”고 Fuerst는 설명했다.

두 가지 주요 이정표는 진핵 생물의 기원을 정의했습니다. 하나는 그들의 이름의 "진정한 커널"의미에 따라 DNA의 용기로서 핵의 모양이었습니다. 다른 하나는 미토콘드리아의 형성으로, 한때 고풍의 조상에 의해 휩싸인 자유로운 생존 박테리아로 여겨졌다. 전문가들은 이러한 사건의 질서와 상대적 중요성에 대해 동의하지 않았습니다. 미토콘드리아를 얻는 것이 진핵 생물 진화를 시작하는 필수적인 변화라는 일부를 긍정합니다. 다른 사람들은 진핵 생물 진화가 잘 진행되고 있으며 복잡한 막 장치 (핵을 포함 할 가능성이 있음)가 이미 존재하고 미토콘드리아 전구체의 흡수를 가능하게하는 데 도움이되었다고 이론화합니다.

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박테리아에서 볼 수있는 구조가 진핵 생물 소기관의 진화에서 원시적이고 중간 단계를 나타내는 지, 또는 진핵 생물과 독립적으로 진화 한 별도의 혁신을 나타내는 지 아무도 모른다. 대답은 각 소기관마다 다를 수 있습니다. 그러나 박테리아 및 진핵 생물 소기관이 완전히 독립적으로 진화하더라도 원핵 생물 구조는 진핵 생물을 이해하는 데 유용 할 수 있습니다.

이 가능성은 4 월에 한 쌍의 연구원들이 핵이 일반적으로 믿었던 것보다 훨씬 나중에 추가 된 것이라는 흥미로운 주장을 제시 한 4 월에 강조되었습니다. Rockefeller University의 세포 생물 학자이자 논문의 공동 저자 중 한 명인 Michael Rout는“우리는 실제로 진핵 생물 진화의 대부분을 위해 오늘날 우리가 알고있는 핵이 존재하지 않는다고 제안하고있다.

영국에있는 던디 대학교 (University of Dundee)의 그와 그의 동료 마크 필드 (Mark Field)는 핵 기공 복합체 (핵과 세포질 사이의 관문)가 각각 다른 막 구조에서 개별적으로 발견되는 두 가지 단백질 유형의 혼합으로 구성된다고 언급했다. 추가 분석을 바탕으로, 그들은“자궁 내막 시스템이 이미 핵 이전에 이미 분기되고 전문화되고있는 연대기를 제안했다”고 Rout는 말했다. 한편, 미토콘드리아의 획득은 병렬로 발생했을 것입니다. 모두가 구식에서 마지막 진핵 생물 공통 조상으로 천천히 단계적으로 진행됩니다. 이 과정에서 많은 중간 진핵 생물이 핵 및 기타 복잡한 특징이 부족했을 것입니다.

앨버타 대학교의 진화 세포 생물 학자 인 조엘 랙스 (Joel Dacks)는“진핵 생물 계보는 우리가 핵의 인식 가능한 특징으로 생각하기 전에 별도의 실체가 될 수 있었을 것”이라고 말했다.

그리고 뉴질랜드 오클랜드 대학교의 생물 학자 인 Anthony Poole은“현대 진핵 생물의 조상은 원핵 생물에서 확인되는 단순한 구조에서 백만 마일이 제거되지 않은 단순한 내부 막 구조를 가졌을 수도 있습니다.

"이것은 [원핵 생물 구조] 중 어느 것이 진핵 생물 진화의 초기 단계 의이 그림과 기능적 유사성을 갖는지에 대한 의문을 제기한다"고 덧붙였다.

더욱이, 원핵 생물이 진핵 생물과 다르게 이러한 구조를 구축하고 유지한다면, 과학자들은 구획화가 어떻게 그리고 왜 발생하는지 더 자신있게 결정할 수 있습니다. Dacks는“이것은 일회성 일회성 상황의 영역에서 진핵 생성을 가져옵니다.”라고 Dacks는 말했습니다.

추측을 넘어서 단계

구획화가 진핵 생물의 단일 특징으로 생각되었을 때, 전문가들은 종종 그것이 어떻게 생겼는지, 생물 물리학 적 제약이 무엇인지, 어떤 선택적 장점이 있었는지 추측해야했습니다. Poole은“이 원핵 생물이 정말 흥미로워지는 곳입니다. “진핵 생물에서 볼 수있는 것과 약간 비슷한 일부 기능을 보여 주면 다른 각도에서 질문과 공격을 넓힐 수 있습니다. 어떤 조건에서 구획이 어떤 이점을 제공 할 수 있습니까? 아니면 그 이익이없는 경우입니까?”

박테리아 사례는“이를 수행하는 여러 가지 방법이 있으며 그렇게하는 데 강력한 진화론 적 이점이있을 수 있음을 제안합니다.”라고 Dacks는 말했습니다.

에너지 생산의 경우는 분명한 것으로 보인다. 진핵 생물에서 어떤 종류의 박테리아와 미토콘드리아에서 아나 폼 모소 좀의 독립적 인 진화는 에너지 대사의 구획화가 세포에 유익하다는 것을 의미한다. "원핵 생물과 진핵 생물 모두에서 특정 특성이나 특정 기능을 더 잘 통제하기 위해 구획화하는 경향이 있습니다."

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Poole 은이 추세가 게놈 정보의 구획화로 확장되는지 확인하고자합니다. "우리는 유전자 물질의 구획화가 좋은 생각인지, 왜 그런지 모르겠다"고 그는 말했다. 그러나 진핵 생물 핵, 플랑크토 마이 세트 막 시스템 및 거대한 바이러스에서도 다양한 유형의 유기체에서 검사함으로써 연구자들은 구획화의 동인과이를 일으킬 수있는 조건을 개괄하기 시작할 수 있다고 생각합니다. (최소한, 특정 생물 물리학 적 제약이있는 것으로 보인다 :예를 들어 특정 종류의 단백질 융합은 막을 조작하는 데 필요한 것으로 보인다.)

이 작업은 사람들이 생각한 것보다 생명 나무의 다양한 분야에서 구획화가 더 널리 퍼져 있음을 시사 할뿐만 아니라. 또한 이런 종류의 복잡성은 진핵 생물 진화를 유발하는 데 필요한 중요한 혁신이 아니라는 것을 나타냅니다. Komeili는 구획화가 반드시 "진핵 생물에서 더 복잡한 세포를 제공하기 위해 열어야 할 잠금 장치"라고 추측합니다. 그러므로“특정한 방식으로 할 필요는 없었습니다.”

오히려, 진핵 생물 특성은 핵 기공 단지에 대한 Rout의 연구가 보여준 것처럼 길고 점진적인 추세의 일부로 나타날 가능성이 높습니다. Devos는“우리에게 단계적 진화가 가능하다는 것을 보여주고있다”고 말했다.

답을 향한 대체 경로

일부 연구원들은 다른 길을 택하고 있습니다. 미네소타 대학교의 합성 생물 학자 인 Kate Adamala와 그녀의 동료들은 기본적인 내부 조직으로 합성 세포를 구축하고 있습니다. 지금까지 그녀는“오르간 넬을 일으키지 않는 많은 것들을 말할 수 있습니다.”라고 말했습니다. 다른 사람들은 단백질 성분으로 만 구성된 세포를 만들려고 시도하는 것과 같은 유사한 프로젝트를 추구하고 있습니다.

Komeili와 그의 동료들은 마그네토 좀 및 기타 박테리아 소기관에 대한 연구를 사용하여 막을 조작하고 새로운 응용 분야에 대한 기능을 변화시키는 방법을 파악하기 위해 종양을 식별하고 독성 물질을 청소하는 것을 포함 할 수 있습니다.

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그러나 미시간 대학교의 분자 생물학자인 Anthony Vecchiarelli는“소개 미생물학을 가르치고 있으며, 수업에 사용하는 교과서는 여전히 박테리아에 소기관이 없다고 말합니다. 이제“막 바운드 소기관이 진핵 생물로 제한 된 교리를 고정해야합니다. 더 이상 사실이 아닙니다.”

진화론 적 과거 또는 현재 공생 관계 (인간 장에 거주하는 모든 박테리아에 대해 생각해 보는 것만으로도 모든 생명체가 연결되어 있음을 감안할 때, 진화론 적 역사에 대한 새로운 이해는 우리가 어디에서 왔는지에 대한 더 많은 단서를 줄 수 있습니다. Dacks는“최소한 사람들은 환경에 더 많은 다양성이 있다는 것을 인식하고 있습니다.”라고 Dacks는 말했습니다.

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