멕시코-하나의 박테리아도 그룹의 지원없이 단독으로 행동할 수 있다?!

하나의 박테리아(bacterium) 는 군집의 박테리아가 일반적으로 행하는 활동들을 똑같이 행하면서 혼자서 활동할 수 있다.
또한 이들의 행동은 세포 수준으로 조절할 수도 있다. 뉴 멕시코 대학 (University of New Mexico, UNM),
다트머스 의과 대학(Dartmouth Medical School), 뉴 멕시코 재향 군인 보건 의료 시스템(the New Mexico Veterans Health Care System)과 국립 산디아 연구소(Sandia National Laboratories )의 연구진은 이러한 흥미로운 사실을 밝혔다.
본 연구 결과는 2009년 11월 12일자 네이처 화학 생물학 (Nature Chemical Biology)지에 개제되었다.
가능한 응용 사례로는 병원과 같은 환경설정에서 발견된 내성 박테리아(resistant bacteria)에 약물을 중단하는 것이다.

나노 구조의 물방울 안에 개별 황색 포도상 구균 박테리아(Staphylococcus aureus bacteria)를 화학적, 물리적으로 완전히
고립시키는 실험을 진행하였다. 이 논문의 공동 주저자인 뉴 멕시코 대학 강사이면서 대학원 졸업생인 에릭 칸스(Eric C. Carnes)와 학부 졸업생인 디아나 로페즈(DeAnna Lopez)는 수 천개의 세포를 조사하여 고립된 박테리아가 화학적
신호를 보내어 주변 환경을 감지할 수 있는 신호를 찾아내었다.

신호를 감지하여 박테리아의 활동을 무해한 것에서 치명적인 것으로 전환할 수 있도록 조절할 수 있다.

“일반적으로 많은 세포들, 즉 쿼럼(quorum)과 같은 박테리아의 영향으로 치명적인 병이 발병한다고 알려져있다.
하지만 본 연구를 통해 나노 구조내의 독립된 하나의 세포에서도 이런 박테리아 행동 전환이 가능하다는 것을 보여주고 있다.” 라고 칸은 말했다.

학생들은 뉴 멕시코 대학 화학 및 원자력 공학과(Chemical and Nuclear Engineering) 교수인 제프리 브링커(Jeffrey Brinker)가 이끄는 연구팀의 일원으로 연구하고 있다. 본 연구의 공동 연구자로는 뉴 멕시코 재향 군인 보건 의료 시스템의 연구원이면서 뉴 멕시코 대학의 전염성 질병(Infectious Disease) 과의 겸임교수인 해티 그레쉬암(Hattie Gresham)과 뉴 멕시코 대학 약학 대학의 그라암 팀민스(Graham S. Timmins) 부교수가 있다. 그리고 다트머스 의과 대학(Dartmouth Medical School)의 나일스 도네간(Niles P. Donegan)과 암스 청(Ambrose Cheung)은 본 실험을 위해 박테리아 변종(bacterial strains)을 제공했다.

연구진은 하나의 박테리아(bacterium)가 격리(isolation)되는 것을 감지하는 것과 자체적으로 적응하고 번성할 수 있도록
유전적으로 재구성(reprogramming)하여 격리 환경에 독립적으로 반응할 수 있다는 것을 보여주었다. 그리고 연구진은 극 (very) 저밀도 리포 단백질 (low density lipoprotein)을 이용하여 재 프로그래밍 과정을 막을 수 있었다.

박테리아 행동에 관한 대부분의 연구는 박테리아가 군집으로 어떻게 활동하고 있는지를 살펴 보는 것이다. 이 분야에서 박테리아가 악성 (virulent)이 되고 감염(infection)이 시작되기 위해서는 그룹, 즉 쿼럼(quorum)이 필요하다는 것이 일반적인 생각이다. 컴퓨터를 이용하여 격리된 환경에서 박테리아가 개별적으로 반응할 수 있다는 행동 모델들은 있지만, 실험적으로 개별적인 박테리아(bacterium)가 활동하는 것을 관찰한 것은 이번이 처음이다.

본 연구는 과학적 호기심 이상의 것이다. 본 연구에 참여한 각 연구진은 뭔가 다른 것을 서로 찾고 있다. 첫 번째로 블링커(Brinker)는 세포 행동에 관심이 있다.
“세포들이 신체 바깥에서 격리되어 오랫 동안 살 수 있을까? 살아남기 위해 어떤 메카니즘을 사용하는가? 그리고 일반적으로 세포 행동에 영향을 주는 나노 구조를 이용할 수 있을까” 에 블링커는 의문을 가지고 있다.

이번 실험은 포유 동물 조직에서 발견되는 세포막과 비슷한 환경에서 진행되었는데, 병이 어떻게 발병되는지에 관심이 있는 그레쉬암은 이런 환경에 관심을 가지고 있었다. 팀민스는 이 시스템을 결핵(tuberculosis) 연구에 이용하여 안정적인 라이브 결핵 백신(stable live tuberculosis vaccine)을 만드는 것에 관심이 있다. 그는 미국 국립 보건원(the National Institutes of Health, NIH)의 지원을 받아 질병 잠복 모델(latency)을 연구하고 있으며, 다윈(Darwinian) 관점에 상당한 관심이 있다고 말한다.

“개별적인 세포가 자기 자신의 이익을 위해 중요한 방법으로 행동하는것은 중요한 문제인 것 같다. 그러나 일반적으로 단체 세포들을 연구하고 있지만, 본 연구는 매우 흥미로운 방식으로 하나의 박테리아(bacterium)의 개별 행동에 중점을 두고 있다.” 라고 그는 말하고 있다.