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세균에 대한 정보를 디지털화 하다 ~세균 간 정보 전달의 새로운 모델 제창~

2017/03/04

 쓰쿠바 대학 생명환경계 도요후쿠 마사노리(豊福雅典, 취리히 대학 객원 연구원 겸임), 노무라 노부히코(野村暢彦) 교수 연구그룹과 스위스 취리히 대학, 스미토모 중기계 공업 주식회사, 스미토모 중기계 인바이어런먼트 주식회사, 독일 헬름홀츠센터 뮌헨 공동연구팀은 세균 간 정보 전달을 중개하는 물질(시그널 물질)이 세포막에서 생성된 주머니 모양 구조인 MV(멤브레인 베시클)를 통해 운반된다는 사실을 발견하였습니다.

 대부분의 세균은 시그널 물질을 매개로 하여 서로 정보를 교환하고, 유전자 발현을 조절함으로써 집단으로서의 성질을 발휘합니다. 시그널 물질의 대부분을 차지하는 것이 아실화 호모세린락톤(AHL)류라고 불리는 공통 골격구조를 가진 화합물입니다. AHL 중에는 극히 물에 녹지 않는 것도 있으며, 이러한 소수성 시그널 물질이 어떻게 수성 환경에서 어떻게 전달되는 것인지, 유전자 발현을 조절할 수 있을 정도의 농도(역치)에 달하는 것인지에 대해서는 밝혀지지 않았었습니다.  

 본 연구는 소수성인 AHL이 세포막으로 구성된 MV에 의해 방출됨으로써 다른 세포에 전달된다는 것을 밝혀냈습니다. MV 1입자에는 역치 이상의 AHL이 농축되어 있습니다. 종래에는 시그널 물질은 서서히 확산되어 유전자 발현을 연속적(아날로그)으로 조절한다고 여겨져 왔는데, MV에 의한 시그널 물질의 운반은 온(on)과 오프(off)를 번갈아가며(디지털) 유전자 발현이 제어되는 것으로 밝혀졌습니다. 또한 본 연구를 통해, MV가 자신을 방출한 세포들을 인식하는 경향이 있으며, 정보의 교통을 정리하는 것과 같은 역할을 하고 있다는 점 역시 밝혀졌습니다.

 
그림1. 세포 주변에 많이 있는 동그란 모양의 구조물은 MV(멤브레인 베시클)를 나타낸다.


그림2. MV를 통한 정보(시그널 물질)를 디지털화 한 것. 시그널 물질(파란색)이 MV에 농축됨으로써 정보가 디지털화 한다. 아날로그 정보전달(왼쪽 그림)에서는 시그널 물질이 집단 전체에 연속적으로 전달되며, 시그널이 전달되는 거리에 따라 서서히 희석되고 곧 역치 이하의 농도가 된다. 디지털 정보전달(오른쪽 그림)에서 시그널 물질은 MV를 통해 패키지화되어 띄엄띄엄 전달된다. 이 경우, 거리가 멀어짐에 따라 시그널 물질을 받을 확률은 떨어지지만 농도는 역치 이상으로 유지된다.


그림3. MV를 통한 정보 운반. MV는 자신을 방출한 특정 세포에 부착된 세포의 특이질을 갖게 되므로, MV에 포함되어 있는 시그널 물질이 특정 세포로 전달된다.

게재논문

【제목】 Membrane vesicle-mediated bacterial communication
 (멤브레인 베시클을 매개로 한 세포간 정보 전달)
【저자명】Masanori Toyofuku1、2,Kana Morinaga1, Yohei Hashimoto3, Jenny Uhl5,Hiroko
 Shimamura1 , Hideki Inaba4 , Philippe Schmitt-Kopplin5 、 6 , Leo Eberl2 , Nobuhiko Nomura1.
1. 쓰쿠바 대학
2. 취리히 대학
3. 스미토모 중기계 공업 주식회사
4. 스미토모 중기계 인바이러먼트 주식회사
5. 헬름홀츠센터 뮌헨
6. 뮌헨 공과대학
【게재지】 The ISME Journal

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