일본 도호쿠 대학의 새로운 연구에 따르면 태평양에 서식하는 작은 금눈 물고기인 파라프리칸서스 란소네티(Parapricanthus ransonneti)는 먹이로부터 발광 분자를 "훔쳐" 자체 생물발광 능력을 얻는 것으로 나타났습니다. 이러한 방식으로 발광 단백질을 "수입"하는 동물의 유일한 알려진 사례로 간주됩니다.
연구자들은 고정밀 전체 게놈 시퀀싱을 통해 길이가 약 7cm인 이 작은 물고기에 생물 발광을 담당하는 주요 효소인 루시퍼라제에 대한 유전자가 부족하다는 사실을 발견했으며, "수평 유전자 전달"을 통해 다른 종으로부터 유전자를 획득했다는 증거도 없습니다. 일반적으로 생물발광을 위해서는 유기체 자체가 관련 유전자를 운반하고 발현해야 하지만, 금눈돔은 이 발광 효소를 합성하기 위한 유전적 청사진이 없습니다.
이에 반해 이 물고기는 '바다 반딧불이'(갑각류와 도편류에 속하는 발광 플랑크톤)라는 먹이의 일종을 잡아 상대 체내에서 합성한 루시페라제 단백질을 직접 얻고, 이를 자신의 발광 기관으로 '이동'해 사용하는 것을 확인했다. 연구자들은 이 접근법이 금눈돔이 루시퍼라제 자체를 생산할 수 없지만, "도벽 단백질 현상"으로 알려진 현상인 "먹이의 루시퍼라제 단백질을 비축하고 활용"하여 빛을 얻는다는 것을 의미한다고 논문에 썼습니다.
이 메커니즘은 분자 수준에서 일종의 "훔치기"와 유사합니다. 황금눈도미는 발광 도피를 잡아먹을 때 상대의 DNA나 유전자를 획득하는 것이 아니라, 상대가 생산한 기능성 단백질을 직접 잡아 자신의 조직에 재배치한다. 이 패턴은 자연에서 극히 드물며 "먹이 단백질을 훔쳐" 기능을 얻는 것으로 명확하게 보고된 유일한 척추동물 사례입니다.
연구에 따르면 이 전략은 에너지 경제학에서 분명한 이점을 가지고 있습니다. 발광 효소 및 관련 화학 분자를 독립적으로 생산할 수 있는 일련의 유전자 및 대사 경로를 유지하면 유기체에 상당한 에너지 부담이 부과됩니다. 황금눈돔은 바다 반딧불과 같은 먹이에게 값비싼 생화학적 합성 공정을 맡기기 위해 "외주 생산"을 사용합니다. 이러한 기성 분자 "자원"을 포착하고 재활용하는 역할만 담당하여 빛을 방출하는 능력을 얻으면서 에너지를 절약합니다.
더욱 놀라운 점은 이 생물발광이 짝을 유인하거나 먹이를 잡는 데 사용되는 것이 아니라 위장과 은신에 사용된다는 점입니다. 연구팀은 달빛이 어두운 어두운 바다에서 포식자가 물고기 떼를 아래에서 올려다보면 물 속에 있는 물고기의 실루엣을 통해 표적을 식별할 수 있다고 설명했다. 그러나 금눈도미가 복부와 기타 발광 기관을 밝히기 위해 몸에 있는 "훔친" 발광 단백질을 사용하면 수역의 배경 조명 아래에서 자신의 그림자를 상쇄하고 주변 환경과 시각적으로 통합할 수 있습니다. 이 전략을 "반조명 위장"이라고 합니다.
연구진은 촬영된 이미지에서 금눈돔의 배쪽 표면에서 방출되는 푸른 빛을 보여주었으며, 이러한 생물발광에 사용되는 효소와 화학분자는 물고기 자체에서 생합성되지 않고, 먹잇감으로부터 얻어 체내에 저장된다는 점을 지적했다. 이 "투명 망토" 스타일의 발광 위장은 자연에서 알려진 가장 정교한 은폐 방법 중 하나로, 바다의 포식자를 피하는 물고기의 능력을 크게 향상시킵니다.
그러나 이 "아웃소싱 발광" 전략에도 전제 조건이 있습니다. 즉, 금눈돔은 내부 발광 시스템을 지속적으로 "보충"할 수 있도록 충분한 "바다 반딧불이" 먹이가 있는 환경에 오랫동안 있어야 합니다. 연구팀은 발광 도배를 먹을 때마다 체내의 발광 단백질에 '연료를 공급'하는 것과 같다고 지적했습니다. 광도는 일정하게 유지되지 않지만 단백질이 소비되고 다시 섭취됨에 따라 지속적으로 업데이트됩니다.
논문의 저자들은 그들의 발견이 유기체가 수평적 유전자 전달에 의존하지 않고 진화 과정에서 먹이 단백질을 "강탈"함으로써 직접적으로 새로운 기능을 획득할 수 있음을 나타낸다고 강조합니다. 현재 특정 단백질 "하이재킹" 및 수송 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않았지만 금눈 도미의 전체 게놈 데이터는 "단백질 발광" 시스템의 진화 및 분자 메커니즘에 대한 추가 연구를 위한 기본 플랫폼을 제공합니다.
이번 연구는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재됐으며, 일본 도호쿠대학에서 관련 보도자료를 공식 발표했다. 과학자들은 이번 발견이 생물발광과 유전자 기능 분포에 대한 사람들의 전통적인 이해를 쇄신할 뿐만 아니라 극단적인 "자원 보존" 전략을 통해 유기체가 에너지가 제한된 환경에서 어떻게 생존하고 적응하는지 이해할 수 있는 독특한 관점을 제공한다고 믿습니다.