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박테리아 상호소통의 로제타석 Inven.Discov.Tech.

'Rosetta Stone' Of Bacterial Communication Discovered


박테리아 사이의 상호소통의 문제를 해결할 수 있는 로제타석과 같은 연구결과가 발표되었다. 비록 박테리아는 감각기관이 없음에도 불구하고 그 주변에서 무슨 일어나고 있는가를 잘 알고 있으며 박테리아를 둘러싼 환경으로부터 화학물을 배출하거나 흡수하여 상호간의 소통을 할 수 있다. 비록 수 백만 가지의 박테리아가 존재하며 이들이 세계를 인식하는 방법도 다양하지만 듀크 대학의 생물공학자들은 이들에게 공통적으로 존재하는 원칙을 발견했다고 믿고 있다.


연구자들은 세포와 박테리아 사이의 좀더 완전한 이해는 유전적으로 조작된 박테리아군을 의학이나 환경정화 그리고 바이오컴퓨팅에 이용하기 위한 합성 생물학 (synthetic biology)의 새로운 분야의 발전에 핵심이 될 것이라고 주장했다. 이러한 재프로그램된 박테리아 유전자회로는 의학, 환경 및 바이오컴퓨팅의 다양한 분야에 사용될 수 있다.


이미 박테리아 사이의 상호소통 이면에 존재하는 ‘정족수 인식 (quorum sensing)으로 알려진 과정을 통해서 이루어진다는 것이 알려져 있다. 하지만 각 형태의 박테리아가 자체적인 정족수 인식능력을 갖고 엄청난 다양성을 유지하는지에 대한 문제는 아직 알려지지 않고 있다고 연구자들은 말했다.


듀크대학의 프랫 공학부 (Pratt School of Engineering)의 대학원 연구원인 아난드 파이 (Anand Pai)는 “정족수 인식은 세포와 세포 사이의 상호소통 메커니즘으로 박테리아가 주어진 환경에서 박테리아의 밀도의 변화에 대한 감지와 반응을 가능케 하는 것이다. 이러한 과정은 바이오발광성, 유독성, 영양분 흡수 및 세포자살과 같은 다양한 생물학적 기능을 규제한다”고 말했다. 연구자들은 어떤 종류의 미생물의 연관성과는 상관없이 주변 환경의 부피와 연관된 전체 박테리아의 크기는 이 정족수 인식에 주요한 역할을 한다는 사실을 발견했다.


파이는 “만일 소수의 세포가 존재한다면 아무런 일도 일어나지 않을 것이다. 만일 많은 세포가 존재한다면 분비된 화학물은 높은 농도를 가지고 세포가 특정한 활동을 하게 한다. 우리는 어떻게 이들 세포가 정족수에 이르게 되었는가를 알게 되는가에 대한 연구를 하고 있다”고 말했다.


파이와 듀크 유전과학 및 정책 연구소 및 시스템 생물학 센터 (Institute for Genome Sciences & Policy and Center for Systems Biology)의 부교수인 링총 유 (Lingchong You)는 각기 다른 형태의 정족수 인식 사이의 기본적인 뿌리를 발견한 것이라고 믿고 있다. 이번 연구결과는 <Molecular Systems Biology>지에 발표되었으며 연구자들은 이 과정은 ‘인식 잠재성 (sensing potential’이라고 불렀다. 유는 “인식 잠재성은 세포의 숫자와 환경의 크기를 행위와 연결시킬 수 있는 핵심적인 것이다.


예를 들어 적은 숫자의 세포들은 훨씬 큰 공간에서 동일한 숫자의 세포와는 행위방식이 다를 것이다. 어떤 세포형태든 이들의 정족수 인식능력과는 상관없이 세포의 크기와 환경 크기 사이의 관계는 우리가 정족수 인식 시스템이라고 보는 현상의 중요한 공통현상이다”고 말했다. 그는 이어서 “이번 분석을 통해서 정족수 인식시스템의 근본적인 디자인에 대한 새로운 관점을 제공하고 있다.


또한 우리가 정의한 전체적인 프레임워크는 정족수 인식의 진화와 그 동학 뿐 아니라 세포 사이의 상호소통에 근거한 합성 유전자 회로를 만드는데 중요한 역할을 할 것이다”고 말했다.


합성 유전자회로는 박테리아나 다른 세포에 삽입될 수 있는 유전자의 결합으로 컴퓨터 프로그램에 의해 결정되는 컴퓨터와 동일한 방법으로 행동을 규제할 수 있다. 이러한 재프로그램된 박테리아는 합성 생태계로 존재할 수 있다. 유는 “각 군집은 군집을 전체로 필요한 하부단위의 효소를 합성할 수 있으며 이를 통해서 의도하는 단백질이나 화학물을 조정된 방법으로 생산할 수 있다.


우리는 아마도 박테리아의 재 공학을 거쳐 다른 종류의 약물전달이나 선택적으로 암세포를 죽일 수 있을 것이다”고 말했다. 예를 들어 유는 이미 포식자와 먹이 사이의 관계를 두 개의 유전자조작 박테리아에 연관되는 합성 회로를 만들기 위한 연구를 수행하고 있다.


출처 : <Science Daily> 2009sus 7월 13일

참고자료: Pai, A & You, L. (2009) ‘Optimal tuning of bacterial sensing potential’ Molecular Systems Biology doi:10.1038/msb.2009.43


http://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090707093619.htm






'Rosetta Stone' Of Bacterial Communication Discovered


ScienceDaily (July 13, 2009) — The Rosetta Stone of bacterial communication may have been found. Although they have no sensory organs, bacteria can get a good idea about what's going on in their neighborhood and communicate with each other, mainly by secreting and taking in chemicals from their surrounding environment. Even though there are millions of different kinds of bacteria with their own ways of sensing the world around them, Duke University bioengineers believe they have found a principle common to all of them.


On the left is Anand Pai and on the right is Lingchong You of Duke University. (Credit: Duke University Photography)


The researchers said that a more complete understanding of communication between cells and bacteria is essential to the advancement of the new field of synthetic biology, where populations of genetically altered bacteria are "programmed" to do certain things. Such re-programmed bacterial gene circuits could see a wide variety of applications in medicine, environmental cleanup and biocomputing.


It is already known that a process known as "quorum sensing" underlies communication between bacteria. However, each type of bacteria seems to have its own quorum-sensing abilities, with tremendous variations, the researchers said.

"Quorum sensing is a cell-to-cell communication mechanism that enables bacteria to sense and respond to changes in the density of the bacteria in a given environment," said Anand Pai, graduate student in bioengineering at Duke's Pratt School of Engineering. "It regulates a wide variety of biological functions such as bioluminescence, virulence, nutrient foraging and cellular suicide."

The researchers found that the total volume of bacteria in relation to the volume of their environment is a key to quorum sensing, no matter what kind of microbe is involved.

"If there are only a few cells in an area, nothing will happen," Pai said. "If there are a lot of cells, the secreted chemicals are high in concentration, causing the cells to perform a specific action. We wanted to find out how these cells know when they have reached a quorum."

Pai and scientist Lingchong You, assistant professor of biomedical engineering and a member of Duke's Institute for Genome Sciences & Policy and Center for Systems Biology, have discovered what they believe is a common root among the different forms of quorum sensing. In an article in the July 2009 issue of the journal Molecular Systems Biology, they term this process "sensing potential."

"Sensing potential is essentially the linking of an action to the number of cells and the size of their environment," You said. "For example, a small number of cells would act differently than the same number of cells in a much larger space. No matter what type of cell or their own quorum sensing abilities, the relationship between the size of a cell and the size of its environment is the common thread we see in all quorum sensing systems.

"This analysis provides novel insights into the fundamental design of quorum sensing systems," You said. "Also, the overall framework we defined can serve as a foundation for studying the dynamics and the evolution of quorum sensing, as well as for engineering synthetic gene circuits based on cell-to-cell communications."

Synthetic gene circuits are carefully designed combinations of genes that can be "loaded" into bacteria or other cells to direct their actions in much the same way that a basic computer program directs a computer. Such re-programmed bacteria would exist as a synthetic ecosystem.

"Each population will synthesize a subset of enzymes that are required for the population as a whole to produce desired proteins or chemicals in a coordinated way," You said. "We may even be able to re-engineer bacteria to deliver different types of drugs or selectively kill cancer cells"

For example, You has already gained insights into the relationship between predators and prey by creating a synthetic circuit involving two genetically altered lines of bacteria. The findings from that work helped define the effects of relative changes in populations.

The research was supported by National Institutes of Health, a David and Lucile Packard Fellowship, and a DuPont Young Professor Award.


Adapted from materials provided by
Duke University
.


 

Source : KISTI, sciencedaily.com

 





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