락토바실러스는 지구 공기에 산소가 많지 않았던 태고적부터 존재했을 것으로 추정된다. 이는 산소 유무와 상관없이 대사능력을 발휘하는 락토바실러스의 다양한 대사 성격 때문이다.

46억 년 전 지구는 산소가 거의 없는 혐기성 환경이었고지금의 21% 수준으로 대기 중 산소농도가 안정된 것이 8억 년 전 정도로 추정하는데 그간 락토바실러스는 진화를 통해 산소가 있어도 살 수 있고 없어도 되는 다양한 능력을 보유하게 된 것이다.

유전자분석을 통한 진화계통에 따르면 프로바이오틱스에 속하는 락토바실러스 중에서는 가제리, 불가리쿠스, 헬베티쿠스, 애시도필러스가 유사한 유전자를 갖고 비슷한 진화계통을 갖는다. 이에 acidophilus complex라고 불리기도 한다. 루테리아 퍼멘툼이, 카제이와 파라카제이가, 비슷한 양상을 보였다.

진화과정 수평적으로 유전자를 주고 받는 수평적유전자교환(HGT,horizontal gene transfer) 능력이 진화에 많은 역할을 했을 것이다. 대표적으로 애시도필러스 콤플렉스 안에서는 약 40%의 유전자가 HGT 에 의해 교환되면서 진화했을 것으로 추정한다(Ventura, O'Flaherty et al. 2009).

락토바실러스의 게놈은 가장 작은 L. sanfranciscensis (1.23Mb)부터 가장 큰 L.parakefiri (4.91Mb)까지 4배나 차이난다. 또 게놈의 염기중 G+C 결합부분도 31.91%부터 57.02%까지 정말 다양한 변이가 나타난다(Sun, Harris et al. 2015). 프로바이오틱스로 쓰이는 락토바실러스 중에서는 이주하면서 사는 것으로 보이는 플란타룸이 3.3 Mb로 가장 크고 우유라는 한 곳에 정착한 불가리쿠스가 1.8 Mb정도로 가장 적다(Van de Guchte, Penaud et al. 2006).

락토바실러스는 탄수화물 분해와 관련된 많은 유전자를 지니고 있다. 또 상대적으로 큰 사이즈의 게놈을 갖는 락토바실러스 플라타룸, 파라카제이, 카제이, 람노서스는 대체로 넓은 범위의 복합탄수화물을 분해할 수 있는 유전자를 갖는다. 반면 불가리쿠스와 같이 상대적으로 적은 사이즈의 게놈을 가진 락토바실러스는 락토스, 갈락토스나 말토스처럼 단순 당만 분해할 수 있다.

판게놈(Pan genome)은 같은 종(species)에 속해있는 여러 균종(strain)들의 게놈을 함께 분석해서 그 균종들이 모두 공통적으로 가지고 있는 게놈(=코어게놈 core genome), 모두는 아니지만 2개 이상이 공통적으로 가지고 있는 게놈(dispensable genome), 하나의 균종만 가지고 있는 독특한 게놈(unique genome)으로 나누는 기법이다. 2005년 streptococcus agalactiae 6 균종의 게놈 분석을 통해 한 개체의 약 80%정도에 해당하는 게놈만이 모든 균종에게 공유된다고 하면서 코어게놈이란 말을 제안한데서 비롯됐다(Tettelin, Masignani et al. 2005).

상식적으로 생각하면 분석하는 균종 수가 많을수록 모든 균종이 함께 공유하는 코어 게놈의 수는 줄어들 것이다. 또 분석하는 균종 수가 많을수록 한 균종이 독특하게 가지는 유니크 게놈 역시 0에 가까울 것이다. Donati 등은 만약 분석 대상 균종 수가 50개가 넘어간다면 새롭게 발견되는 유전자는 0으로 떨어질 것이라 주장했다(Donati, Hiller et al. 2010).

그런데 락토바실러스는 좀 특이하다. 락토바실러스와 이웃 속에 속하는 213개의 균종을 대상으로 한 비교게놈에서 2000개 정도되는 전체 유전자중에서 73개 유전자만이 모든 균종들이 함게 공유하는 코어게놈인 것으로 밝혀졌다. 상당히 적은 부분이다. 대신 dispensable genome, unique genome의 수가 많을 것이다. 그리고 그 코어게놈 대부분은 생명유지에 필요한 세포의 증식과 복제에 필요한 것이었다. 

이렇게 공통적으로 공유하는 유전자부분이 적고 각기 다른 유전자를 갖고 있기 때문에 락토바실러스에 속하는 모든 코어게놈, dispensible genome, unique을 합친 유전자는 모두 4만4668개에 이른다. 그만큼 락토바실러스는 다양한 유전자를 가지고 있는데 실제로 그 다양성이 한 속(genus)안에서의 다양성인데도, 한 과(family)안에서의 다양성보다 더 넓은 것이다(Sun, Harris et al. 2015).

또 게놈분석은 동물에 서식하는 락토바실러스 균종들의 게놈 크기가 더 적은 경향을 나타낸다. 동물 안 서식하면 영양소가 더 많기 때문에 유전자 퇴화(gene decay)가 진행되고 있는 것이다. 유전자 분석은 락토바실러스를 포함한 Pediococcus, Weissella, Leuconostoc, Oenococcus, Fructobacillus가 하나의 공통 조상으로부터 분화된 하나의 종족(clade)인 것으로 보인다. 락토바실러스의 조상은 facultatively heterofermentive이고 여기에서 선택적인 유전자의 탈락과 퇴화를 거치며 진화해 온 것으로 보인다. 또 락토바실러스 안에는 바이러스로부터 스스로를 보호하는 박테리아 면역 시스템인 CRISPR/Cas system이 광범하게 존재하는 것으로 판단된다(Sun, Harris et al. 2015).

락토바실러스는 플라즈미드에 많은 유전자를 갖고 있기도 한다. 플라즈미드에 유전자를 가장 많이 갖고 있는 L. salivarius는 그 정도가 약 15%에 달한다. 살리바리우스는 이 유전자의 11% 정도를 pMP118이라고 불리는 거대플라즈미드(megaplasmid)에 갖고 있는데 pMP118은 유산균의 게놈 중에서 발견된 최초 메가플라즈미드이기도 하다.

Donati, C., et al. (2010). "Structure and dynamics of the pan-genome of Streptococcus pneumoniae and closely related species." Genome biology 11(10): R107.

Sun, Z., et al. (2015). "Expanding the biotechnology potential of lactobacilli through comparative genomics of 213 strains and associated genera." Nature communications 6.

Tettelin, H., et al. (2005). "Genome analysis of multiple pathogenic isolates of Streptococcus agalactiae: implications for the microbial “pan-genome”." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102(39): 13950-13955.

Van de Guchte, M., et al. (2006). "The complete genome sequence of Lactobacillus bulgaricus reveals extensive and ongoing reductive evolution." Proceedings of the National Academy of Sciences 103(24): 9274-9279.

Ventura, M., et al. (2009). "Genome-scale analyses of health-promoting bacteria: probiogenomics." Nature Reviews Microbiology 7(1): 61-71.