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생태계 : Biofilm 세균 집단생활, 아미크로바이옴  

Bio web : 생명 생태계의 이해
- Pathway : chemical web
- DNA, Protein network
- Protein network
- Brain - Connectome
- 木林森: Wood wide web
- 먹이사슬 : Food web, Food chain
- 바이오필름 Biofilm

세균의 생태계 : 바이오필름, 마이크로바이옴
- 바이오필름 Biofilm : 암세포의 협동
- 세균이 항암제 역할을 방해할 수 있다

바이오필름이 개체의 성장은 억제한다
그러나 이를 보상할 확실한 이익이 있다

세균의 적도 세균, 우군도 세균
- 이이 제이 : 세균으로 세균 막기
- 슈퍼균 내성 매커니즘

홀로 사는 딱 한마리의 세균을 키워도, 마리수가 늘어나면 자기들 끼리 역할 분담을 하여 생태계를 이룹니다. 세균끼리의 경쟁이 치열하기 때문이지요. 병원균은 그 기능때문에 단순히 먹고나니즘만 추구하는 세균에 밀립니다. 덕분에 세상에 유해균이 많지 않지요. 지나친 항생제, 항균은 머고나지즘의 세균을 밀어내고 독성균만 남길 가능성을 키웁니다

 

 

 

 

 

[박테리아들도 소셜네트워그가 있다]

언젠가 페이스북이 고양이들 사교 모임으로 변할지 모르겠다. Myxococcus xanthus란 이름을 가진 박테리아는 단세포 동물이다. 이들도 사회적 협동망(social network)을 가지고 있다는 연구가 발표되었다. 이들은 잡아먹히지 않거나 다음 먹이를 찾는 일에 서로 협력한다고 한다.
버클리 연구진에 의해 처음으로 박테리아가 서로 연결망을 이루고 있는 사진을 발표했다. 박테리아들은 이 연결망을 통해서 단백질이나 다른 분자들을 교환하는 것으로 판단된다. 박테리아들이 서로 협력해서 적을 회피하거나 먹이 위치를 말아내는 데 활용한다고 한다. 이 박테리아는 많은 적들과 심한 경쟁을 하면서 사는데 이 소통망이 마치 스텔스같이 잘 들어나지 않도록 한다고 한다. 비록 이 연구가 Myxococcus xanthus에 초점을 맞추긴 했지만 다른 박테리아들은 어떻게 협동하는지 예를 들면 식물을 잘라서 바이오연료를 만들거나 땅속의 독소들을 청소하는 과정을 함께 조사하였다. 이 논문은 Environmental Microbiology 온라인판에(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.12187/abstract) 발표되었다.

스트레스성 심근경색에 관여하는 세균의 바이오필름
http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=247007&cont_cd=GT  
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-06-13  

- 동맥경화 기작 : 요인

스트레스는 오랫동안 심근경색을 일으키는 것으로 생각되어 왔지만, 그 메커니즘은 알려지지 않았다. 이제 과학자들은 세균이 그 과정에서 일익을 담당한다고 생각하게 되었다. 6월 10닝 mBio에 실린 논문에 의하면, 스트레스호르몬이 동맥의 기름진(fatty plaque) 플라크에서 자라는 세균막을 파괴하여 플라크를 방출하고, 이것이 심근경색이나 뇌졸중을 일으킨다고 한다.
과학자들은 지난 수년 동안 세균이 경화된 동맥의 플라크를 감염시키는지 모른다고 의심해 왔다. 플라크의 표면에 달라붙은 세균은 증식하면서 서로 똘똘 뭉쳐 바이오필름을 형성할 수 있다. 이상과 같은 시나리오를 검증하기 위해, 뉴욕 빙엄턴 대학교의 데이비드 데이비스 교수(세균학)가 이끄는 연구진은 심혈관질환 환자 15명의 동맥을 분석해 봤다. 세균의 DNA에 결합하면 형광을 발하는 태그를 이용하여, 연구진은 최소한 10종의 세균이 플라크 주위에 단단히 달라붙어 집락을 형성하고 있는 것을 발견했다. 그중에는 바이오필름을 형성하는 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)도 포함되어 있었다.
"플라크에 단단히 달라붙은 바이오필름은 심혈관질환에 영향을 미칠 수 있다. 혈관벽에 형성된 플라크는 일반적으로 안정상태를 유지하고 있지만, 만일 파괴되어 혈류로 들어갈 경우, 혈전을 생성하여 심근경색이나 뇌졸중으로 이어질 수 있다"고 연구진은 설명했다. 바이오필름이 실제로 심근경색이나 뇌졸중을 유발할 수 있는지 테스트하기 위해, 연구진은 실리콘 튜브로 만든 인공동맥 속에서 P. aeruginosa를 배양하면서 바이오필름을 형성하기를 기다렸다. 바이오필름이 형성된 후, 연구진이 스트레스 호르몬인 노르아드레날린을 인공동맥 속으로 관류시켰더니, 바이오필름이 파열되는 것으로 나타났다.
그렇다면 스트레스 호르몬이 세균의 바이오필름을 파열시킨 이유는 무엇일까? 이에 대해 연구진은 다음과 같이 설명했다: "스트레스 호르몬은 인체의 세포를 자극하여, 철분을 혈류 속으로 유리시킨다. 혈류 속의 철분은 P. aeruginosa와 같은 세균들로 하여금 효소를 분비하게 하는데, 이 효소는 바이오필름의 기질을 구성하는 중합체 결합을 끊는 역할을 한다. 중합체 결합은 세균을 플라크에 부착시키는 역할을 하므로, 이 결합이 끊어지면 바이오필름이 와해되면서 플라크도 파열된다."
"동물과 인간을 대상으로 후속연구를 해 봐야겠지만, 이번 연구의 의의는 `플라크가 심근경색을 일으키는 과정에서 은밀히 활동하는 복병(伏兵)을 찾아냈다`는 데 있다"고 연구진은 말했다.
전문가들은 이번 연구결과에 관심을 표명하면서도, 약간의 미진한 점을 지적하고 있다. "연구진은 매우 흥미로운 가설을 제시했다. 그러나 연구진이 사용한 노르아드레날린의 양은 인체에 존재하는 양보다 훨씬 더 많았다"고 영국 레스터 대학교의 프림로스 프리스톤 교수(미생물학)는 말했다. 그러나 프리스톤 교수는 다음과 같은 말을 함으로써 일말의 여운을 남겼다: "단, 플라크가 형성된 부위의 경우, 다른 곳보다 노르아드레날린의 농도가 높을 수 있다. 따라서 이번 연구를 계기로 하여, 세균이 심혈관질환의 발병과정에서 수행하는 기능을 파헤치는 연구가 쏟아져 나올 것으로 기대된다."
콜럼비아 대학교의 에밀 코자로프 교수(미생물학)는 연구진의 아이디어가 흥미롭다는 점에 동의하면서도, "마우스에게 바이오필름을 형성하는 세균을 주입하여, 노르아드레날린이 실제로 바이오필름을 파열시키는지를 확인해 보고 싶다"고 말했다. 그는 또한 "노르아드레날린이 다른 세균의 바이오필름도 와해시키는지도 알고 싶다"고 말했다. 연구진은 마우스를 대상으로 동물시험을 계획하고 있으며, 건강한 사람의 동맥에도 바이오필름을 형성하는 세균이 포함되어 있는지를 연구할 예정이다.

※ 원문정보: David G. Davies, ""Bacteria Present in Carotid Arterial Plaques Are Found as Biofilm Deposits Which May Contribute to Enhanced Risk of Plaque Rupture", mBio vol. 5 no. 3 e01206-14 (10 June 2014)



 

예루살렘 히브리 대학이 여기에 도전했다. 연구팀은 박테리아 간의 통신을 차단하는 기술을 개발했다. 이러한 기술로 인해 박테리아를 무력화 시킬 수 있게 되었다. 도전자의 이름은 예루살렘 히브리대학 마이클 브랜드웨인(Michael Brandwein)과 도론 스타인버그(Doron Steinberg) 교수다.

“박테리아는 혼자서는 아무 일도 못해”

그들의 창의적인 아이디어는 “박테리아는 혼자서는 아무 일도 못한다는 것”에서 나왔다. 박테리아가 제대로 활동을 하려면 친구가 필요하다. 그래서 동료들끼리 서로의 대화와 연락을 차단하고 협동을 막으면 박테리아를 잠재울 수 있다는 이야기다. (참고자료: http://www.newsweek.com/2014/07/25/spray-keep-bacteria-laden-biofilms-growing-food-259323.html)

과학자들에 따르면 대다수 박테리아는 생물막(bio-film) 내에서 생활한다. 그 영역에서 떨어져 나오면 죽는다. 이 독특한 서식환경이 미생물들을 품고 성장을 촉진한다. 그리고 다른 생물들을 공격한다.

생물막은 미생물들이 실제 환경에서 살아가는 군집형태를 말한다. 예를 들어 실험실에서 미생물을 배양할 때는 균일한 상태로 키워야만 분석하기 좋기 때문에 미생물 세포들이 서로 뭉치지 않도록 여러 가지 주의를 기울이다.

가장 일반적인 것은 액체배지를 삼각플라스크에 넣고 원형으로 계속 흔들어주면서 배양하는 것이다. 배양의 규모가 좀 커지면, 발효조에 교반기가 장착되어 있어 균일한 상태를 유지하도록 되어 있다.

생물막 형성을 막으면 세균들은 무력화 돼

그러나 실제 미생물이 환경에서 자라는 모습은 대부분이 뭉쳐서 자란다. 미생물이 뭉쳐서 하나의 층으로 자라는 것을 생물막이라고 한다. 생물막은 고체표면에서 만들어질 수 있고, 액체의 표면이나 그 속에서 만들어질 수도 있다.
그러나 특이한 점은 생물막에는 순수하게 한 종류의 미생물만 사는 경우가 거의 없다. 대부분 여러 종류의 미생물들이 함께 섞여서 자란다. 생물막에서 자라는 미생물들은 대게 다당류의 끈적끈적한 기질(matrix) 물질을 만들어 분비하여 고체표면과 서로에게 잘 달라붙을 수 있도록 한다.
그런데 이 미생물들은 자기들끼리 화학물질을 분비하여 의사소통을 한다. 이를 정족수 인지(quorum sensing)라고 한다. 미생물은 한 마리 한 마리 힘은 보잘것없다. 그들의 힘은 숫자에서 나온다.
자기들끼리 화학신호를 주고 받아 숫자가 얼마 이상 되었을 때야 어떤 활동을 개시하거나 하는 현상을 정족수 인지라고 말한다. 의사 결정을 위한 회의가 성립하는 데 필요한 최소한의 구성원수를 말하는 의사정족수를 생각하면 이해하기 쉽다.

뉴스위크에 따르면 바로 여기에서 아이디어를 얻어 개발된 것이 세균들 간의 관계를 차단해 무력화시키는 중합체 스프레이이다. 브랜드웨인과 스타인버그 교수는 이러한 스프레이로 박테리아들을 잠재우는 계획에 착수해 성공을 거둔 것. 이 스프레이를 뿌리면 생물막 형성을 막고, 따라서 박테리아는 그 기능을 상실하게 된다.
이 중합체는 ‘TZD’라는 작지만 아주 강력한 분자를 함유하고 있다. 이것을 식품 포장재에 뿌리면 박테리아가 서로 소통하지 못하도록 막는다. 브랜드웨인 교수는 “박테리아를 죽이는 것이 아니다. 생물막을 형성하지 못하게 된다. 그들의 활동을 잠재우는 것이다”라고 말했다.
“박테리아는 혼자서는 아무 일도 할 수 없다. 다른 생물체에 공격을 가하기 위해서는 서로가 서로를 필요로 한다. 생물막이 없으면 식품의 유통기한도 더 길어지고 소비자들에게 질병을 유발할 가능성도 훨씬 줄어들게 된다”
물론 식품포장재에만 사용되는 것은 아니다. 개발자들은 앞으로 생물막 억제 중합체가 쓰일 곳은 많을 것으로 예상하고 있다. 연구팀은 도뇨관(urinary catheters) 코팅과 구강충치 및 플라그 방지 제품을 개발 중이다.

생물막은 기본적으로 곳곳에서 존재하며 대부분 문제를 일으킨다. 되새김질하는 동물의 소화기관에도 형성된다. 때로는 좋은 방향으로 작용하기도 하지만 대부분 문제를 일으키는 경우가 허다하다.
연구팀은 또한 선박의 밑바닥에서 생물막의 성장을 막는 방법도 연구 중이다. 연구팀은 “이 경우는 건강상의 문제가 아니라 경제적인 문제 때문”이라고 말했다. 생물막이 배의 속도를 늦출 수가 있기 때문이다.

항생제를 대신할 가능성도 많아

그러나 최대의 장점은 항생제 남용 추세를 줄일 수 있다는 점이다. 이 스프레이의 최대 장점은 항생제와는 달리 박테리아의 진화, 다시 말해서 내성을 증가시키지 않는다는 것이다.

“박테리아가 그들의 힘을 발휘하고 질병을 유발시키기 위해서는 서로 소통해야 어떤 박테리아도 그들의 소통을 막는 메커니즘이 개발되기를 원하지 않는다”고 브랜드웨인 교수는 말했다.
연구팀은 이 스프레이가 항생제의 대안이 될 가능성에 대해서는 속단하기가 이르다고 말한다. 그러나 브랜드웨인 교수는 “이 분야의 미래가 밝다는 것은 보여준다”고 말했다.
자료에 따르면 미국 가정에서 구입한 식품 가운데 많게는 25% 이상이 쓰레기로 버려진다. 대부분이 상했다고 생각되기 때문이다. 생물막 형성을 막는 이 스프레이로 우선은 음식물 폐기물 양을 상당히 줄일 수 있을 것으로 보인다.

굶주린 미생물들 '나노관' 연결해 영양분 교환

오철우 2015. 02. 25

굶주린 박테리아가 주변 박테리아와 이른바 ‘나노 관(nanotube)’을 연결해서 양양분을 교환하는, 미생물 세계의 독특한 현상이 관찰됐다. 독일 막스플랑크 화학생태연구소 등의 연구진은 박테리아들끼리 가는 관을 만들어 서로 연결한 다음에 생명 유지에 필요한 아미노산 같은 대사산물을 교환하는 현상을 전자현미경으로 관찰해 과학저널 <네이처 커뮤니케이션스>에 최근 보고했다.



논문 초록과 독일 막스플랑크 연구소 보도자료를 보면, 각각 특정한 아미노산을 생산하지 못하는 대장균들은 세포막에서 뻗어나가는 작은 관을 이웃 박테리아과 연결해 서로 필요한 영양분을 관을 통해 주고받는 것으로 나타났다. 미생물들 사이에 필요한 영양분을 교환하는 일은 자주 관찰되지만 이번처럼 세포 대 세포의 관을 직접 연결해 영양분을 주고받는 방식은 새롭게 관찰된 것이다. 관을 통한 영양분 교환 방식은 박테리아가 대사산물을 세포 밖으로 분비해 확산함으로써 이웃 박테리아에 공급하는 방식에 비해서 손실이 적어 훨씬 효율적인 것으로 풀이된다.


» 나노관으로 연결해 필요한 영양분을 교환하는 대장균들. 출처/ 막스플랑크

화학생태연구소 연구진은 이 실험을 토양박테리아인 아시네토박터균(Acinetobacter baylyi)와 내장박테리아인 대장균(Escherichia coli)을 대상으로 수행했다. 우선 실험을 위한 상황을 만들었다. 두 박테리아 종이 어떤 한 가지 필수 아미노산만은 스스로 만들지 못하면서 다른 아미노산들은 더 많이 만들어내도록 유전자 변형 돌연변이체들을 만들었다. 자신한테 결핍된 아미노산을 다른 박테리아들한테서 공급받아야 생존할 수 있는 상황을 설정한 것이다.

두 박테리아 종을 한 공간에 두어 먹이 교환의 과정을 관찰했다. 그랬더니 이동성을 지닌 대장균은 다른 대장균과 관으로 연결망을 이룬 뒤에 각자 필요한 영양분을 교환하는 것으로 관찰됐다. 대장균은 심지어 종이 다른 세균인 아시네토박터균과도 연결관을 구축해 영양분을 교환했다. 그러나 이동성이 없는 토양균인 아시네토박터균들끼리는 나노관 연결이 이뤄지지 않았다.

연구진은 이번 실험의 결과를 다음과 같이 요약했다.

“아미노산 결핍이 나노관의 생성을 촉발했습니다. 특정한 아미노산 생산과 관련한 유전자를 제거한 것이 결과적으로는 다른 박테리아 단세포들에 연결하도록 만든 원인이 된 것이지요. 이런 식으로 자신들의 결핍된 영양분을 벌충하는 겁니다. 그렇지만 필요한 아미노산이 성장배양액에 공급해주면 나노관은 생성되지 않았습니다. 이는 나노관 구조 생성이 박테리아 세포가 얼마나 ’굶주렸는가’에 따라 달라지는 것임을 보여줍니다.”(막스플랑크 보도자료)

독특한 '생명의 먹이 교환 연결망' 현상을 관찰한 연구자들한테 더 큰 물음이 남아 있다고 한다.

“제가 보기에 여전히 답을 찾지 못한 채 남아 있는 가장 흥미로운 물음은 박테리아가 사실상 단일세포이며 상대적으로 단순한 구조를 지닌 유기체인가, 또는 박테리아가 서로 달라붙고 그 생화학적 능력을 결합함으로써 복합체(complexity)를 증가시키는 그런 다중세포체(multicellularity)의 어떤 다른 유형을 우리가 사실 보고 있는 것이 아닌가 하는 것입니다