과학자들은 더 큰 박테리아의 표면에 사는 작은 박테리아의 특이한 생활 방식에 필요한 유전자를 발견했습니다. 동반 박테리아는 생활 방식을 파악하기 어려운 신비한 작은 미생물 그룹입니다. 과학자들은 이들 종 중 소수만을 재배할 수 있지만, 이들은 다양한 환경에서 발견되는 다양한 과의 일부입니다.
주사 전자 현미경 사진은 훨씬 더 큰 세포의 표면에서 자라는 작은 보라색 코리네박테리움 세포를 보여줍니다. 시애틀 UW 메디컬 센터의 Joseph Mougous 연구소가 주도한 새로운 연구에서는 이들의 생활 주기, 유전자 및 특이한 생활 방식 뒤에 숨은 일부 분자 메커니즘을 밝혀냈습니다. 이러한 착생 박테리아는 Southlakia epibionticum입니다. 이미지 제공: YaxiWang, WaiPangChan 및 ScottBraswell/워싱턴 대학교
연구자들이 실험실에서 배양할 수 있는 소수의 코리네박테리움 종은 또 다른 더 큰 숙주 미생물의 세포 표면에 살고 있습니다. 코리네박테리아에는 일반적으로 단백질을 구성하는 아미노산, 막을 형성하는 지방산, DNA의 뉴클레오티드 등 생명에 필요한 많은 분자를 만드는 데 필요한 유전자가 부족합니다. 연구자들은 많은 무척추동물이 성장하기 위해 다른 박테리아에 의존한다고 추측했습니다.
Cell에 발표된 최근 연구에서 연구자들은 코리네박테리움(Corynebacterium)의 특이한 생활 방식 뒤에 숨은 분자 메커니즘을 처음으로 밝혔습니다. 이러한 획기적인 발전은 이러한 박테리아를 유전적으로 조작하는 방법의 발견으로 가능해졌으며, 이는 가능한 새로운 연구 방향의 세계를 열어주는 발전입니다.
시애틀 시스템 생물학 연구소(Institute for Systems Biology)의 Nitin S. Baliga는 “메타유전체학은 어떤 미생물이 우리 몸에 살고 있는지 알려줄 수 있지만, DNA 서열만으로는 미생물의 유익하거나 유해한 활동에 대한 통찰력을 제공하지 못합니다. 특히 이전에 특성이 규명된 적이 없는 유기체의 경우 더욱 그렇습니다.”라고 말했습니다.
"Corynebacterium을 유전적으로 파괴하는 능력은 강력한 시스템 분석 렌즈를 적용하여 절대 부착 생물의 독특한 생물학을 신속하게 특성화할 수 있는 가능성을 열어줍니다."라고 그는 덧붙였습니다.
이번 연구 팀은 워싱턴 대학교 의과대학 미생물학과의 Joseph Mougous 실험실과 Howard Hughes Medical Institute의 주도로 이루어졌습니다.
그들은 환경적 원천으로부터 종이 풍부한 미생물 군집에서 발견된 게놈의 대규모 유전자 분석에서 DNA 서열이 나타난 많은 알려지지 않은 박테리아 중 하나입니다. 이 유전 물질은 그것이 암호화하는 기능에 대해 알려진 바가 거의 없기 때문에 "미생물 암흑 물질"이라고 불립니다.
Cell 논문은 미생물 암흑물질이 생명공학적 응용 가능성이 있는 생화학적 경로에 대한 정보를 포함할 수 있다고 지적합니다. 또한 미생물 생태계를 지원하는 분자 활동과 이 시스템에 모이는 다양한 미생물 종의 세포 생물학에 대한 단서를 제공합니다.
이번 연구에서 분석된 코리네박테리움은 사카리박테리아(Saccharibacteria)군에 속합니다. 그들은 다양한 육상 및 수생 환경에 살고 있지만 인간의 입에 서식하는 것으로 가장 잘 알려져 있습니다. 그들은 적어도 중석기 시대부터 인간의 구강 미생물군집의 일부였으며 인간의 구강 건강과 관련이 있었습니다.
인간의 구강에서 사카로박테리움은 숙주 역할을 하는 방선균 무리를 필요로 합니다. 효모가 숙주와 어떻게 상호 작용하는지 더 잘 이해하기 위해 연구자들은 유전자 조작을 사용하여 효모가 자라는 데 필요한 모든 유전자를 식별했습니다.
미생물학 교수인 Mougous는 “이 박테리아가 운반하는 특이한 유전자의 기능에 대한 사전 이해를 얻게 되어 매우 기쁘다”고 말했습니다. "향후 이러한 유전자에 초점을 맞춤으로써 글리코박테리아가 숙주 박테리아를 사용하여 어떻게 성장하는지에 대한 미스터리를 풀 수 있기를 바랍니다."
연구에서 확인된 가능한 숙주 상호작용 요인에는 사카로박테리움이 숙주 세포에 부착하는 데 도움이 될 수 있는 세포 표면 구조와 영양분을 운반하는 데 사용될 수 있는 특수 분비 시스템이 포함됩니다.
저자 연구의 또 다른 적용은 형광 단백질을 발현하는 효모 세포의 생성입니다. 연구진은 이 세포를 사용하여 숙주 박테리아와 함께 성장하는 사카리박테리움의 저속 미세형광 이미징을 수행했습니다.
Moogers 연구소의 수석 과학자인 S. Brook Peterson은 “사카리박테리움-숙주 세포 배양의 저속 촬영 영상은 이러한 특이한 박테리아의 생활주기가 놀랍도록 복잡하다는 것을 보여줍니다.”라고 말했습니다.
연구자들은 일부 효모가 모세포 역할을 하여 숙주 세포에 부착하고 반복적으로 싹을 틔워 작은 자손을 생산한다고 보고합니다. 이 작은 녀석들은 계속해서 새로운 숙주 세포를 찾고 있습니다. 일부 자손은 결국 모세포가 되는 반면, 일부 자손은 숙주와 도움이 되지 않는 상호작용을 하는 것으로 보입니다.
연구자들은 추가적인 유전자 조작 연구가 "이러한 유기체가 보유하고 있는 미생물 암흑 물질의 풍부한 저장소"로 묘사하는 역할에 대한 더 넓은 이해의 문을 열고 잠재적으로 아직 상상하지 못했던 생물학적 메커니즘을 밝혀낼 것이라고 믿습니다.