| 예쁜꼬마선충 | |
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| 학명 |
Caenorhabditis elegans [1] (Maupas, 1900) |
| 분류 | |
| 계 | 동물계 |
| 문 | 선형동물문(Nematoda) |
| 강 | 쌍선강(Chromadorea) |
| 목 | 간선충목(Rhabditida) |
| 과 | 간선충과(Rhabditidae) |
| 속 | 신생선충속(Caenorhabditis) |
| [[생물 분류 단계#s-2.8|{{{#000 종}}}]] | |
| 예쁜꼬마선충(C. elegans) | |
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1. 개요
예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)은 간선충과 신생선충속의 선충이다. 단순하고 정형적인 구조로 생물학 연구에 가장 널리 이용되는 생물 중 하나이다.비슷한 사이즈와 생김새를 가진 다른 두 속으로는 Panagrolaimus와 Oscheius속이 있다. C. Elegans와 Panagrolaimus 의 일부 종들은 전장 유전자 시퀀싱이 완료되었으나, Oscheius 속의 종들은 아직 그 어떤 종도 전장 유전사 시퀀싱이 완료되지 않았다.
2. 생태와 특징
토양 속이나 그 주변에 있는 썩은 과일, 낙엽 더미가 썩은 부엽토 등 유기물에 서식하며 박테리아를 먹고 자란다. 연구실에서 배양할 때는 주로 미디어가 배양된 소형 페트리접시에 기르며, 유전자 조작된 연구실 배양 대장균 E.Coli OP.50 같은 것을 먹이로 공급한다.[2] 생각보다 엄청나게 빠르게 자라기 때문에 소향 페트리 접시 중앙에 반지름 1cm 정도로 E.Coli를 공급했을 때 보통 2주에서 3주면 현미경으로 들여다봤을때 빈 곳이 없을 정도로 개체수가 증가하고, 오염이 없으면 대장균을 모조리 먹어치워 재공급해야한다. 25℃ 기준으로 알에서 깨어나 발생이 끝나는 데 3일쯤 걸리며 수명은 2~3 주이다. 후대 재생산기간은 대략 3.5일에서 4일 정도로 알려져 있다.|
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몸길이는 약 1 ㎜이다. 1㎜라서 눈으로 보일 것 같지만, 눈곱보다 작은 게 눈 깜빡일 시간 동안 찔끔찔끔 이동하고, 투명한 몸뚱아리에 빛의 산란까지 겹쳐 육안으로 식별하기 힘들다.[3] 뚫어지게 쳐다보고 있으면 조금씩 기어가는 길쭉한 점으로 보이기는 한다. 성체일때만 겨우 눈으로 식별된다.
선충인 만큼 환형동물과 같은 마디는 없고, 성별은
한국어로는 예쁜꼬마선충이라는 상당히 귀여운 어감의 일반명을 갖고 있으나, 대부분의 외국어로는 일반명 없이 학명의 이명법 표기로 부르는 것이 일반적이다. 보통 'Caenorhabditis elegans'를 전부 쓰기엔 발음이나 문자나 너무 길어 'C elegans'라고 칭한다. 종명인 'elegans'는 '우아함'이라는 뜻으로, 린네식 계통 분류법에서 우아하거나 정교한 외형이 특징인 종에게 붙는다. # 이 선충의 경우 기어다니는 모습을 현미경으로 관찰했을 때 완벽에 가까운 곡선을 그리며 우아하게 움직인다는 데에서 이름이 붙었다.
3. 예쁜꼬마선충과 생물학 연구
1963년 시드니 브레너가 예쁜꼬마선충을 이용한 연구를 제안한 후, 이 종을 이용한 연구는 생물학에 막대한 자취를 남겼고 또 남기고 있다. 그 중 제일 유명한 몇가지 연구는 노벨상을 받기도 하였는데, 2002년( 세포자살), 2006년(RNAi), 2008년( GFP), 2024년(miRNA) 수상 주제들이 바로 그것이다.생물학 중 유전공학이나 해부학, 신경과학 쪽에서 특히 많이 연구하는 생물이다. 꼬마선충의 제일 큰 장점은 세포 수와 해부학적 구조가 항상 일정하다는 점이다. 개체에 상관없이 모든 정상적인 예쁜꼬마선충은 세포 숫자가 딱 959개(수컷은 1031개)이다. 발생 과정에서는 원래 1090개의 세포가 만들어지지만 그중 정확히 131개가 유전적으로 프로그래밍된 과정을 딱딱 밟아서 세포자살을 행해 사라지며, 이 현상을 이용해 밝혀낸 세포자살의 메카니즘은 현대 생물학의 중요한 발견이다. 꼬마선충의 세포자살 프로그램과 인간의 세포자살 프로그램은 많은 부분을 공유하며, 이는 의학연구에도 큰 의의가 있다. 예를 들어, 암 연구에 있어서 세포자살은 굉장히 중요하다. 만약 어떤 세포가 비정상적으로 증식하게 되면, 우리 면역체계는 그것을 인식하고 그 세포들에게 자살 명령을 내린다. 그러므로 일반적인 세포가 암 세포가 되기 위해선 어찌하든 간에 이 세포자살 프로그램을 비 활성화 시켜야 한다. 암세포의 세포자살 프로그램을 다시 활성화 시키도록 하는 항암 연구도 활발히 이루어지고 있다. 반대로, 알츠하이머, 루게릭병 등의 뇌 질환은 너무 많은 세포자살로 인한 결과라고 할 수 있다. 또한, 예쁜꼬마선충은 신경세포를 딱 302개 가지고 있는데, 인간의 신경세포가 1000억 개인 것을 감안하면 뇌과학을 연구하기에도 안성맞춤이라 할 수 있다.
유전학도들이 좋아하는
이렇게 단순한 세포 구조와 더불어, 예쁜꼬마선충은 투명하여 광학 장비로 세포가 생기고 없어지는 과정을 쉽게 관찰할 수 있다. 1986년에 이미 존 화이트 박사에 의해 발생 과정에서 세포가 어떻게 분화되어 어떤 세포가 어디로 가는지 확인 되었으며 신경계도 어떤 뉴런이 어딨고 무슨 일을 하는지에 대한 뉴런 지도가 나왔을 정도다. 그래서 많은 생물학자들이 이렇게 'Elegans'한(예쁜) 이 동물을 진심으로 사랑하고 있다. 전 세계적으로 예쁜꼬마선충 학회도 열릴 만큼 이 작은 벌레 하나만 전문적으로 연구하는 학자도 많다.
연구 목적으로 우주에도 같이 데려가는데, 무려 (우주선 내부에서) 6개월 이상을 우주에서 지내고 심지어 다시 지구로 돌아오기까지 하여 인간이 의도적으로 데려간 동물 중 가장 장시간 우주에서 생존하고 회수된 동물이라는 기록도 세웠다. 예쁜꼬마선충은 키우기도 쉽고 많은 연구가 이루어졌으며 유전자도 인간과 비슷한 것이 많아 오랜 우주생활이 인간의 신체에 미치는 영향 등을 연구하는데 매우 안성맞춤이라고 한다.[5] 우주에 나간 인간을 우주인이라고 부르듯 우주에 나간 선충들은 따로 우주충이라고 부른다고 한다.
3.1. 커넥톰 연구
과학자 존 화이트가 1986년에 전자 현미경으로 촬영한 예쁜꼬마선충의 단면.
그는 예쁜꼬마선충의 뉴런과 시냅스를 매핑(표시)하기 위해 선충을 8000등분 한 뒤, 단면을 하나하나 다 살펴가며 신경망을 전부 그려냈다. 이런 신경계의 연결을 전부 표시한 지도를 커넥톰(connectome)이라고 한다. 신경세포가 많으면 몇천억 개를 넘어 아직 신경세포 갯수도 정확하게 알지 못하는 인간에서는 현재 기술로는 한참 불가능한 일이고 인간보다 몸구조가 작고 간단한 초파리에서도 다 밝혀지지 않은 사항인데[6], 예쁜꼬마선충에선 그게 가능하다.
예쁜꼬마선충의 신경다발 지도
예쁜꼬마선충의 뉴런 지도( 커넥톰)
비록 신경세포가 302개밖에 없지만, 이 선충은 상당히 똑똑(?)하다. 좋아하는 온도를 찾아가는 점, 수컷이 배고플 땐 음식을 찾아가고 배부를 땐 짝짓기 상대를 찾아가는 점, 먹고 배 아프면 그 먹이는 다시 안 먹는 점, 머리를 만지면 뒤로 도망가는 점, 주변 먹이가 별로일 땐 알을 덜 낳는 점, 한 가지 냄새를 많이 맡으면 그에 적응하는 점, 등등 예쁜꼬마선충의 행동생물학적 레파토리는 정말 다양하다. 심지어, 술에 취하기까지 한다![7]
한편, 모든 뉴런을 파악하다 보니 과학자들은 이 녀석을 이용해 실험을 하게 된다.
레고 마인드스톰으로 만든 로봇에 예쁜꼬마선충의 뉴런들의 연결 정보, 연결 강도를 넣고 실행시킨 것. 쉽게 말해 컴퓨터에다 사람이 만든 행동 패턴 알고리즘을 짜넣지 않고도, 오로지 예쁜꼬마선충의 뉴런 연결정보만 입력한 것만으로도 살아있는 예쁜꼬마선충처럼 움직이는 행동 패턴[8]이 자연스럽게 만들어진 것이다. 좀 과장되게 말하자면 뉴런 정보를 완전히 구현하는 것만으로도 별다른 인공지능 프로그래밍 없이도 생명체의 행동패턴, 나아가서는 지성과 자아까지도 구현될 수 있다고 볼 수 있는 셈이다. 즉, 지금은 기술의 한계로 작은 벌레의 신경망 하나를 파악하는 데에도 애를 먹고 있지만 기술이 발전한 미래에는 게임 사이버펑크 2077의 미코시나 소울 킬러처럼 인간의 의식을 프로그램화 하고 저장하는 게 정말로 가능해질 수도 있을 것이다. 물론 논란의 여지가 없는 것은 아니고 심리철학분야의 학자들이 이 문제를 다루고 있다.[9]
예쁜꼬마선충을 컴퓨터 안에서 가상으로 구현하고자 하는 OpenWorm이라는 오픈 소스 계산생물학 프로젝트가 있다. 웹브라우저에서도 돌아가는 간단한 완성작으로는 worm-sim이 있다. 예쁜꼬마선충에게 밥을 줄 수 있고, 화면 상단에 예쁜꼬마선충의 뉴런들이 켜지고 꺼지는 것을 볼 수 있다.
다만 연구의 한계로 인해 재현율이 완벽하지는 않다. 예쁜꼬마선충이 매우 단순한 생명체임에도 불구하고 아직까지도 학계에서는 시냅스의 연결 정도가 언제 어떤 곳이 더 단단해지거나 덜 단단해지는지 완전하게 밝혀내지 못했다. 어떤 뉴런이 다른 어떤 뉴런으로 시냅스로 연결됐나를 알아내는 건 쉽지만, 그 시냅스의 연결 강도까지 알아내는 건 현재 기술로 어렵기 때문이다.[10] 또한 시냅스의 연결 강도는 생물이 환경을 학습함에 따라 학습한 정보를 저장하기 위해 계속 바뀐다. 따라서 오픈웜 프로젝트는 불완전할 수밖에 없는데, 문제를 해결하기 위해 기계학습 방식을 채택하였다. 당연히 기계학습으로 땜빵한 부분은 실제 뉴런의 동작과는 차이가 있기 때문에, 현 상태는 예쁜꼬마선충을 매우 가깝게 재현한 시뮬레이션일 뿐 예쁜꼬마선충 그 자체를 전자공학적으로 구현했다고 보기 어렵다.
[1]
(고전) 라틴어: 카이노랍디티스 엘레간스 / 영어: 시노랍다이티스 엘레겐스.
[2]
일반 대장균과의 차이점으로는 유전자가 조작되어 일반적인 대장균처럼 폭발적으로 개체수 증가가 불가능하다.
[3]
애초에
길이가 1㎜랬지 굵기가 1㎜인 것이 아니다. 맨눈으로 보기 힘든 게 당연하다. 머리카락과 굵기가 비슷하긴 하지만, 머리카락은 매우 길고 불투명하고 색까지 검은색이다.
[4]
Y 염색체가 따로 있는 것이 아니라 염색체가 XX면 자웅동체고 X 염색체 하나만 있으면 수컷이다.
[5]
의외로 생물학 연구에 정말 많이 사용되는 초파리는 우주에 데려가기엔 그닥 적합하지 않다고 한다. 실험실 쥐는 말할 것도 없고.
[6]
2023년 3월에야 초파리
애벌레의 커넥톰이 뇌부분만 완성되었다는 논문이
사이언스에 실렸는데, 3016개의 뉴런과 54만 8천개의 시냅스가 있다고 한다. 다만 변태과정에서 신경계가 훨씬 복잡해지고 뇌 말고도 신경계가 있으니 초파리의 커넥톰이 완성되었다라고 하기엔 너무 부족하다. 당장 초파리 성충은 뉴런수만 20만개로
# 초파리 구더기 커넥톰이 완성된 2023년 기준으로 10분의 1인 2만여개만 완료된 상황이다.
[7]
물에 떠 있는 선충과(수영) 땅에 있는 선충의(기어가기) 움직임은 매우 다르다. 하지만, 술(에탄올)을 섭취한 선충은 이 두 가지 움직임이 섞이게 된다. 이를 영어로는 disinhibition이라 한다. 술에 취한 삼촌이 갑자기 낯 뜨거운 말을 한다든지, 술을 먹으면 고백하기가 쉬워진다든지, 다 disinhibition이라고 할 수 있다. 평소에는 inhibit 되어 있던 행동들이 나오는 것.
[8]
'
인공지능'이 아니다. 사람이 인공적으로 의도한 행동은 아무것도 없기 때문. 다만 로봇은 음식을 먹을 수 없으므로 소리 신호를 음식 신호로 치환했을 뿐이다.
[9]
대표적인 학자인
김재권과 호러게임
SOMA를 다룬 항목만 읽어 봐도 이 주제의 무게를 느낄 수 있다.
[10]
시냅스 강도의 측정이 정확하게, 그리고 의미있기 위해서는 대상이 온전히 살아있는 상태여야 한다. 살아있는 생물의 세포 하나하나에 계측기를 꼽아놓는게 아닌 이상 완벽히 파악하기 어렵다.