GFAJ-1

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1. 개요
2. 발견
3. 분류 및 계통
- 3.1. 종/균주 논란
4. 생화학적 특징 (논란)
- 4.1. 비소산 에스터 안정성 문제
5. 과학계의 비판과 반박
참조

1. 개요

GFAJ-1은 미국 지질조사국의 과학자 펠리사 울프-사이먼이 발견한 박테리아로, 고농도의 비소를 포함하는 캘리포니아 모노 호수에서 분리되었다. 이 박테리아는 인 대신 비소를 사용하여 생장할 수 있다는 초기 연구 결과가 발표되었으나, 이후 비소의 DNA 내 포함 여부에 대한 논란이 제기되었다. GFAJ-1은 극한 환경에서 생명체의 적응 연구에 중요한 사례로 여겨지며, 비소 내성 및 극한 환경 정화 기술 개발에 활용될 가능성이 있다.

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GFAJ-1 - [생물]에 관한 문서
기본 정보
GFAJ-1
도메인	세균
문	프로테오박테리아문
강	감마프로테오박테리아강
목	해양나균목
과	할로모나스과(Halomonadaceae)
발견 및 연구
연구	'인' 대신 '비소'를 사용하여 성장할 수 있는 세균
발표일	2010년 12월 2일
연구 저널	사이언스
연구진	Felisa Wolfe-Simon Jodi Switzer Blum Thomas R. Kulp Gwyneth W. Gordon Shelley E. Hoeft Jennifer Pett-Ridge John F. Stolz Samuel M. Webb Peter K. Weber Paul C. W. Davies Ariel D. Anbar Ronald S. Oremland
연구 결과 요약	이 세균은 인 대신 비소를 사용하여 성장할 수 있다는 주장이 제기되었음 그러나 이후 연구에서 비소가 DNA에 통합되지 않았다는 것이 밝혀짐
논란
초기 주장	비소를 사용하여 생존하는 생명체가 존재할 수 있다는 주장이 제기됨
재검토	이후 연구에서 GFAJ-1은 비소에 대한 저항력이 있을 뿐이며, 인을 필요로 함이 밝혀짐 GFAJ-1의 DNA에서 비소가 검출되지 않음
비소 사용 능력	비소가 GFAJ-1의 DNA에 통합되지 않는 것으로 확인됨 GFAJ-1은 비소 저항성이 있는 인 의존적 생물임

2. 발견

GFAJ-1 박테리아는 미국 지질조사국에 주재하던 나사 우주생물학 연구소의 지구미생물학자 펠리사 울프-사이먼이 발견하였다.^[86] GFAJ는 “Give Felisa a Job.”(펠리사에게 일거리를)에서 따왔다.^[87] 이 생물체는 그녀와 동료들이 캘리포니아주 모노호 바닥의 침전물에서 수집한 샘플에서 분리되어 2009년 초부터 배양되었다.^[88] 모노 호는 염분이 매우 높고(약 90 g/L) 강한 알칼리성(pH 9.8)이며,^[89] 세계에서 비소의 자연 농도가 가장 높은 장소 중 하나이다(200 μM).^[79] 이 발견은 2010년 12월 2일에 널리 발표되었다.^[80]

3. 분류 및 계통

16S rRNA 서열에 기반한 분자 분석 결과, GFAJ-1은 할로모나스과 내 다른 호염성 박테리아와 가까운 관계가 있는 것으로 나타났다.^[90] 리보솜 DNA 서열에 근거한 GFAJ-1 및 가까운 박테리아들의 계통 분류는 아래와 같다.

리보솜 DNA 서열에 근거한 GFAJ-1 및 가까운 박테리아들의 계통 분류^[90]
대장균 균주 O157:H7
알칼리성 할로모나스(Halomonas alkaliphila)
베누스타 할로모나스 균주 NBSL13
GFAJ-1
할로모나스 sp. GTW
할로모나스 sp. G27
할로모나스 sp. DH77
할로모나스 sp. mp3
할로모나스 sp. IB-O18
할로모나스 sp. ML-185

GFAJ-1 균주는 할로모나스속에 속하는 분기도를 나타내지만, 명확하게 할로모나스속으로 분류하지는 않았다.^[79]^[78] GFAJ-1은 새로운 종이 아닌 할로모나스과의 한 균주로 언급되었다.^[79]

3. 1. 종/균주 논란

논문에서 GFAJ-1은 할로모나스과의 한 균주로 언급되었으며 새로운 종은 아니었다.^[79] 국제세균명명규약(박테리아의 분류를 결정하는 단체)은 박테리아가 새로운 종으로 인정받기 위한 특정 조건을 요구하는 지침을 명시하고 있는데, 예를 들어 16S rRNA 서열이 다른 종과 97% 이상 일치할 경우 새로운 종이 될 수 없다.^[91]

분자 분석에 따르면, 16S rRNA 염기서열을 기반으로 GFAJ-1은 할로필("염호성") 세균과 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났으며, 할로모나다세과(Halomonadaceae)에 속한다. 저자들은 이 균주가 ''할로모나스속''(Halomonas), 특히 ''H. 알칼리필라''(H. alkaliphila)와 ''H. 베누스타''(H. venusta)를 포함한 종들 사이에 자리 잡고 있는 것을 보여주는 클라도그램을 제작했지만,^[11] 해당 속에 이 균주를 명시적으로 분류하지는 않았다.^[1]^[5]

''사이언스'' 저널 논문에서 GFAJ-1은 새로운 종이 아닌 할로모나다세아과(Halomonadaceae)의 균주로 언급되었다.^[1] 세균의 분류학을 관장하는 규정인 국제 세균 명명 규약(International Code of Nomenclature of Bacteria)과 국제 계통 분류 및 진화 미생물학 저널(International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology)의 특정 논문에는 새로운 종을 설명하기 위한 지침과 최소 기준이 포함되어 있다.^[14] 생물체는 일반적으로 다른 알려진 종과의 16S rRNA 서열 동일성이 97% 미만^[15]이고 서로 구별할 수 있게 하는 대사적 차이가 있는 등 특정 생리적 및 유전적 조건을 충족하는 경우 새로운 종으로 설명된다.

GFAJ-1 균주의 경우 이러한 기준을 충족하지 않으며, 새로운 종이라고 주장되지 않는다.^[1] 균주가 종에 할당되지 않은 경우 속 이름 뒤에 "sp."와 균주 이름이 붙는 경우가 많다. GFAJ-1의 경우 저자는 균주를 균주 명칭으로만 언급하기로 선택했다. GFAJ-1과 밀접한 관련이 있는 균주로는 ''Halomonas'' sp. GTW 및 ''Halomonas'' sp. G27이 있는데, 이 둘 모두 유효한 종으로 설명되지 않았다.^[18]^[19]

게놈 분류학 데이터베이스(Genome Taxonomy Database)는 R220 버전까지 GFAJ-1에 ''Halomonas sp002966495''라는 임시 종을 할당했다. 즉, 이 균주는 계통적으로 ''Halomonas'' 속에 속하며, 다른 정의된 종과의 전체 게놈 유사성이 충분히 낮다는 것을 의미한다. R220 버전에서 데이터베이스는 이 균주를 2023년에 발표된 새로운 속인 ''Vreelandella''로 이동했다.^[20]

4. 생화학적 특징 (논란)

초기 연구에서는 인산염이 없는 배지에 GFAJ-1을 배양하면서 비소산염 노출을 점진적으로 증가시켰다. 초기 농도는 0.1mM이었고 최종적으로 40mM까지 증가했다. 비교 실험에는 비소산염이 없는 고농도 인산염(1.5mM) 배지나, 인산염과 비소산염이 모두 첨가되지 않은 배지를 사용했다. GFAJ-1은 인산염 또는 비소산염 배지에서 배양했을 때 세포 수가 여러 번 증가했지만, 인산염과 비소산염이 모두 없는 배지에서는 성장하지 못했다.^[1]

비소산염을 공급받고 인산염이 부족한 GFAJ-1의 인 함량은 건조 중량 기준 0.019%로, 인산염이 풍부한 배지에서 배양했을 때의 30분의 1에 불과했다. 이는 세포의 평균 비소 함량(건조 중량 기준 0.19%)의 약 10분의 1 수준이었다.^[1] 그러나 세포의 비소 함량은 실험에 따라 편차가 커서, 일부 실험에서는 인 함량보다 낮았고 다른 실험에서는 최대 14배 더 높기도 했다.^[21]

1.5 mM 인산염을 첨가한 배지에서 배양한 GFAJ-1 세포 (주사전자현미경 사진)

연구자들은 동위원소 표지된 비소산염을 이용해 비소의 분포를 추적했고, 비소가 세균의 단백질, 지질, ATP와 같은 대사산물, DNA와 RNA가 포함된 세포 분획에서 발견되었다고 주장했다.^[2] 흡수된 비소의 약 10분의 1이 핵산(DNA와 RNA) 분획에 포함된 것으로 나타났다.^[1]

그러나 이후 다른 연구진이 검증한 결과, GFAJ-1의 DNA에 비소산염이 포함되었다는 증거는 발견되지 않았다.^[24] 브리티시컬럼비아 대학교의 로즈메리 레드필드는 GFAJ-1이 액체 배양보다 고체 한천 배지에서 더 잘 자라며, 낮은 칼륨 수치가 성장을 저해할 수 있다고 지적했다.^[22] 이후 비소산염이 성장을 약간 자극했지만, 배양액의 최종 밀도에는 영향을 미치지 않는다는 사실이 밝혀졌다.^[23]

결론적으로 GFAJ-1이 DNA의 인을 비소로 대체하여 생명 활동을 한다는 주장은 거의 확정적으로 부정되었다.^[70]^[71]^[72]

4. 1. 비소산 에스터 안정성 문제

비소산 에스터는, 예를 들어 DNA에 존재하는 경우처럼, 일반적으로 해당 인산 에스터보다 수분해에 훨씬 덜 안정적이다.^[25] DNA 구성 요소인 dAMP의 구조적 비소 유사체인 dAMAs는 중성 pH의 물에서 반감기가 40분이다.^[26] 뉴클레오티드를 연결하는 아르세노디에스터 결합의 물에서의 반감기는 DNA의 포스포디에스터 결합의 3천만 년과 비교하여 0.06초 정도로 짧게 추정된다.^[27]

5. 과학계의 비판과 반박

NASA의 발표는 과장되었다는 비판을 받았다. 많은 전문가들은 GFAJ-1 연구가 주장을 뒷받침할 만한 충분한 증거를 제시하지 못한다고 지적했다.^[34] 화학자 스티븐 베너(Steven A. Benner)는 실험실 배양 배지의 미량 원소 오염 물질이 세포에 필요한 인을 공급하기에 충분하다고 주장했다.^[2]^[29] 브리티시컬럼비아 대학교의 미생물학자 로즈메리 레드필드(Rosemary Redfield)는 실험에 결론을 제대로 검증하는 데 필요한 세척 단계와 대조군이 부족하다고 말했다.^[36] 하버드 대학교의 미생물학자 알렉스 브래들리(Alex Bradley)는 비소를 포함하는 DNA는 물속에서 매우 불안정하여 분석 절차를 거치지 못했을 것이라고 말했다.^[38]^[39]

2012년, 브리티시컬럼비아 대학교의 로지 레드필드 연구팀은 액체 크로마토그래피-질량 분석법을 사용하여 GFAJ-1의 DNA를 분석했지만 비소를 검출하지 못했다.^[56] 이는 원 논문의 발견에 대한 "명백한 반박"이라고 불렸다.^[56] 마이애미 대학교 연구팀은 비소산염이 리보솜의 분해를 유도하여 비소 내성 세균의 느린 성장에 충분한 인산염을 제공한다는 것을 발견했다.^[58]

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