[논문]운동성 세균의 환경오염물질 감지를 위한 주화성 분자 기구

김혜은; 카토준이치; 이상호; 심현우; 이창수

운동성 세균의 환경오염물질 감지를 위한 주화성 분자 기구
The molecular mechanism of bacterial chemotaxis to environmental pollutants 원문보기

KSBB Journal, v.24 no.1, 2009년, pp.9 - 16

김혜은 (충남대학교 화학공학과) , 카토준이치 (히로시마대학 선단물질연구과) , 이상호 (한국생산기술연구원) , 심현우 (한국과학기술연구원) , 이창수 (충남대학교 화학공학과)

초록
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일반적으로 운동성세균은 영양분에 대하여 유인반응(정주화성)을 보인다는 것은 100여년의 주화성 연구 역사를 통하여 잘 알려져 있다. 그 중에 일부 환경오염물질을 분해 가능한 운동성 세균은 환경오염물질에 까지 유인반응을 보인다. 이 환경오염물질 감지 기능을 잘 활용한다면 '환경오염원까지 자발적으로 이동하여 그 화학물질을 분해하는 레이더 탑재형 환경정화세균의 개발이 가능할 것이다. 본 고에서는 지금까지 알려진 환경오염물질 감지를 위한 주화성 분자기구를 정리하고 향후 전망을 논하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Chemotaxis is the movement of an organism toward chemical attractant and away from chemical repellents. Several bacteria are known to cometabolically degrade some pollutants and attracted to the pollutants. The chemotactic responses to these compounds influence the efficiency of bioremediation because the first precondition of pollutant degradation is definitely confrontation between microorganisms and pollutants. In this review, we summarize present knowledge of about the chemotactic mechanism to environmental pollutants of Pseudomonas species.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그 결과, naphthalene의 정주 화성이 정상인 야생주에 의한 naphthalene 분해속도가 주화성 혹은 운동성을 잃어버린 균주보다 높다는 것을 밝혀냈다 이 사실은 오염물질의 정화를 위하여 환경오염물질에 대한 주화성이 강화되도록 세균을 육종시킬 가치가 있음을 증명했다고 하겠다. 본문에서는 운동성 세균의 환경오염물질에 대한 주화성의 연구가 분자적 수준에서는 어디까지 해명되었는가를 소개하고자 한다.
讷osa의 주화성 연구를 1990년대 초부터 개시하여 단순히 분자생물학적 주화성 분자기구의 기능해명뿐만 아니라 인류의 삶에 기여할 수 있도록 공학적인 응용을 목적으로 하여 이들 운동성 세균의 환경오염물질 감지기능을 강화한 레이더탑재형 슈퍼 환경정화 미생물의 창제를 표방하였고 다년간의 연구를 통하여 환경오염물질에 대한 주화성 응답의 분자기구를 해명하여 이 목표를 실험적으로 검증해 가고 있다 우리는 또한 매 실험마다 동일하고 정밀한 화학물질 농도구배를 제공해 줄 수 있는 Microfluidic device의 도입으로 지금까지와는 비교할 수 없을 만큼 빠르고 정확하게 주화성에 대한 정보를 얻을 수 있으리라 기대하며 이에 대한 실험을 진행중이다. 우리는 P. aeruginosa PAO1 의 환경오염물질 인식기구의 해명을 시작으로 하여 다양한 환경오염 정화세균이 환경오염물질 인식기구를 가지도록 육종하여 레이더 탑재형 슈퍼 환경정화 미생물의 창제가 가능하도록 실험적인 검증을 하여 나가고자 한다.
해명이 되어가고 있다. 우리는 P. 讷osa의 주화성 연구를 1990년대 초부터 개시하여 단순히 분자생물학적 주화성 분자기구의 기능해명뿐만 아니라 인류의 삶에 기여할 수 있도록 공학적인 응용을 목적으로 하여 이들 운동성 세균의 환경오염물질 감지기능을 강화한 레이더탑재형 슈퍼 환경정화 미생물의 창제를 표방하였고 다년간의 연구를 통하여 환경오염물질에 대한 주화성 응답의 분자기구를 해명하여 이 목표를 실험적으로 검증해 가고 있다 우리는 또한 매 실험마다 동일하고 정밀한 화학물질 농도구배를 제공해 줄 수 있는 Microfluidic device의 도입으로 지금까지와는 비교할 수 없을 만큼 빠르고 정확하게 주화성에 대한 정보를 얻을 수 있으리라 기대하며 이에 대한 실험을 진행중이다. 우리는 P.
이는 次沪가 직접적으로 TCE와 결합하여 Che system에 신호를 전달하는 것이 아니라 실제로 세포 외부의 TCE를 감지하는 단백질이 따로 존재하며 하여 이 단백질로부터 전달받은 신호를 처리하고 하고 있음을 시사한다. 현재 우리는 이 파트너 단백질을 찾기 위해 연구를 진행중이다. 본 연구를 통하여 Fig.

가설 설정

a: The chemicals with underline are repellents. 2, 4-D : 2, 4-Dichlorophenoxyacetic acid, 2, 4, 5-T : 2, 4, 5-Trichlorophenoxyacetic acid, 1, 1-DCE : 1, 1-Dichloroethylene, c/s-DCE : c/s-Dichloroethylene, PCE : tetrachloroethylene, TCA : Trichloroethane, TCE : Trichloroethylene, VC : vinyl chloride.
그러나 만약 이런 상황에 부딪혔을 때 세균이 그 물질에 대하여 정주화성을 가지고 있다면 오염물질이 존재하는 영역까지 적극적으로 접근하여 분해를 진행시킬 수 있을 것이다. 역으로 세균이 오염물질을 기피물질로 인식하고 만다면 설사 분해세균이 강력한 오염물질 분해활성을 지니고 있다고 할지라도 오염물질의 고동도 영역에서 멀리 도망쳐 버려 결국 미분해 영역이 그대로 남고 말 것이다. 그렇다면 실제로 주화성은 환경에 존재하는 오염물질의 분해효율에 영향을 미칠 수 있을 것인가? 이 문제에 대한 현장적 검토사례는 아직 없다.

제안 방법

하나는 주화성 응답을 미시적 영역에서 관찰하는 컴퓨터 지원형 Capillary assay(40)와 또 하나는 거시적 영역에서의 응답을 관찰하는 Agarose-plug assay(lO)이다. 이 두 가지 방법을 이용하여 P. aeruginosa PAO₁ 의 TCE에 대한 주화성을 측정하였다(Fig. 3). 위에서 언급한 바와 같이 P.

성능/효과

그들은 naphthalene 분해균인 Pseudomonas putida G7균의 야생주와 naphthalene에 대한 주화성 변이주 그리고 운동성 변이주 각각의 균체 현탁액에 naphthalene을 넣은 유리 모세관을 함께 봉입하여 정치계에서naphthalene 분해률을 조사하였다. 그 결과, naphthalene의 정주 화성이 정상인 야생주에 의한 naphthalene 분해속도가 주화성 혹은 운동성을 잃어버린 균주보다 높다는 것을 밝혀냈다 이 사실은 오염물질의 정화를 위하여 환경오염물질에 대한 주화성이 강화되도록 세균을 육종시킬 가치가 있음을 증명했다고 하겠다. 본문에서는 운동성 세균의 환경오염물질에 대한 주화성의 연구가 분자적 수준에서는 어디까지 해명되었는가를 소개하고자 한다.
3(d)). 그 결과는 P. aeruginosa PAO₁ 은 TCE에 대하여 기피와 유인 응답체계를 둘 다 보유하고 있다는 것을 시사하며, 일반적인 상황에서는 기피응답의 시그널이 강하게 드러나고, 유인 응답은 기피응답이 제어되어있는 상황에서 (즉, pctA pctB pctC 삼중파괴주와 같이 PctA PctB PctC의 발현이 억제되어 있는 상황) 비로서 감지되는 것을 시사한다. 여기에서 다시 한번 MCP유전자 파괴주 라이브러리를 정밀하게 조사한 결과, CttP (유전자등록번호 PA0180)7} TCE의 정주화성 센서단백질이라는 것을 찾아냈다 «沪유전자의 파괴주는 야생주보다 TCE에 대한 강한 기피 반응으로 보이고 또한 기피반응이 제어되어 있는 pctA pctB pctC 삼중파괴주에 이 函F유전자를 도입하면 고농도의 TCE에 대해서도 유인반응을 보이도록 되었다(Fig.
또한 이 균주를 이용하여 TCE와 구조가 비슷한 다른 chloroethylenes의 물질에 대한 반응을 살핀 결과 CttP는 TCE뿐만 아니라 PCE와 DCEs들 역시 감지하여 유인신호를 보내는 센서 단백질임을 알았다(41). 그러나 유전자서열해석을 통하여 분석한 결과 는 화학물질과 결합하는 영역이 존재하지 않으며 대신 이 유전자의 상류에 RpoS에 의하여 발현이 조절되는 서열을 가지는 것으로 드러났다. 이는 次沪가 직접적으로 TCE와 결합하여 Che system에 신호를 전달하는 것이 아니라 실제로 세포 외부의 TCE를 감지하는 단백질이 따로 존재하며 하여 이 단백질로부터 전달받은 신호를 처리하고 하고 있음을 시사한다.
점(8)으로부터 TCE에 대한부주화성에 관하여는 PctA가 가장 강력한 주화성 시그날을 보내는 것으로 고찰된다. 또한, 이들 pctA, pctB, pctC의 단독 파괴주들을 이용하여 chloroform과 thiocyanate esters에 대한 기피반응을 조사한 결과, 이들 물질에 대한 응답 역시 약해졌다 이 결과들로부터 PctA, PctB 그리고 PctC는 TCE를 포함하여 chloroform과 thiocyanate esters의 감지에도 관여하고 있는 것으로 보인다.
환경오염물질에 대하여 정주화성에 관여하는 MCP의 유전자가 얻어진다면 이 MCP의 유전자를 강력한 환경정화능력을 가진 세균에 도입함으로써 자발적으로 환경오염원에 까지 이동하고 스스로의 정화능력으로 오염원을 정화시키는 균주를 개발할 수 있다. 또한, 환경오염물질에 대하여 부주화성에 기여하는 MCP가 특정된다면 그 MCP유전자를 파괴함으로써 세균이 환경오염원으로부터 도망가는 것을 막을 수 있고 세균의 토착율을 높일 수 있다. 이하에 환경오염물질을 감지하는 MCP가 동정 된 연구 예를 소개한다.
현재 우리는 이 파트너 단백질을 찾기 위해 연구를 진행중이다. 본 연구를 통하여 Fig. 5에 나타내듯이 하나의 화학물질의 감지에 여러 개의 MCP가 작용하며 어떤 MCP가 그 화학물질을 감지하느냐에 따라서 기피반응을 보이기도 하고 유인반응을 보이기도 하며 또한 그 반응들은 농도에 매우 의존적임을 알 수 있다. 이러한 복잡성이야 말로 주화성 연구를 어렵게 하는 점이다.
aeruginosa PAO₁ 은 TCE에 대하여 기피와 유인 응답체계를 둘 다 보유하고 있다는 것을 시사하며, 일반적인 상황에서는 기피응답의 시그널이 강하게 드러나고, 유인 응답은 기피응답이 제어되어있는 상황에서 (즉, pctA pctB pctC 삼중파괴주와 같이 PctA PctB PctC의 발현이 억제되어 있는 상황) 비로서 감지되는 것을 시사한다. 여기에서 다시 한번 MCP유전자 파괴주 라이브러리를 정밀하게 조사한 결과, CttP (유전자등록번호 PA0180)7} TCE의 정주화성 센서단백질이라는 것을 찾아냈다 «沪유전자의 파괴주는 야생주보다 TCE에 대한 강한 기피 반응으로 보이고 또한 기피반응이 제어되어 있는 pctA pctB pctC 삼중파괴주에 이 函F유전자를 도입하면 고농도의 TCE에 대해서도 유인반응을 보이도록 되었다(Fig. 4).
그러나 pctA, pctB, p&C이외의 MCP유전자 파괴주에서는 눈에 띄는 기피응답의 감소는 검출되지 않은 것으로 보아서 PctA, PctB 그리고 PctC가주요 TCE 주화성센서라고 판단된다. 이 3개의 MCP 유전자 변이주 중에서도 의 변이주의 TCE에 대한 기피 응답이 가장 약해졌다는 것과, pctA pctB pctC 삼중 파괴주의 TCE 주화성 응답의 복귀실험에서 pc〃를 도입한 균주에서 가장 크게 나타났다. 점(8)으로부터 TCE에 대한부주화성에 관하여는 PctA가 가장 강력한 주화성 시그날을 보내는 것으로 고찰된다.
이들 TCE 분해세균들의 TCE 에 대한 유인반응은 toluene을 기질로 하여 배양하였을 때 나타나므로 toluene에 의한 유도발현에 의한 것이라고 알려져 있다. 이 P. putida Fl 에 P. aeruginosae 유전자를 도입하는 것으로, 유인 기질인 toluene이 없는 조건에서 배양한 균체에서도 TCE에 대한 유인반응을 보이도록 되었다 이와 같이, 次沪유전자를 이용하여 이종의 운동성 세균의 TCE 주화성을 기여할 수 있다는 것을 알았다. 또한 이 균주를 이용하여 TCE와 구조가 비슷한 다른 chloroethylenes의 물질에 대한 반응을 살핀 결과 CttP는 TCE뿐만 아니라 PCE와 DCEs들 역시 감지하여 유인신호를 보내는 센서 단백질임을 알았다(41).
putida G7은 salicylate에 증식시켜도 naphthalene에 대한 주화성응답을 보이지 않滋다. 이 결과로부터 P- putida G7 의 naphthalene주화성에는 NAH₇ 이 필수라는 것이 나타났다.

후속연구

coli7\ 5개의 MCP밖에 보유하지 않는 것에 비하여 식중독균인 Vibrio vunificmsi는 52개, 식물병원균인 Pseudomoans syringae는 49개, 훌륭한 환경오염물질 분해균인 Pseudonomas putida는 27개, 그리고 면역력이 약한 사람에게 감염되면 치명적인 폐녹능증을 유발하는 Pseudomonas aeruginosa는 26개나 되는 MCP를 가지고 있다. 이러한 사실은 이들의 세균이 인식할 수 있는 화학물질의 종류가 얼마나 다양할 것인가와 그 응용 가능성을 생각하게 한다. 단지 한 가지 유감스러운 것은 위에서 기술한 바와 같이 MCP 유전자를 찾아내는 것은 다른 연구 과정에 비한다면 그리 어렵지 않다 할 수 있으나 이 MCP가 과연 어떤 물질을 감지하는가를 밝혀내는 것은 상당히 어려운 일이다.
되겠다. 환경오염물질에 대하여 정주화성에 관여하는 MCP의 유전자가 얻어진다면 이 MCP의 유전자를 강력한 환경정화능력을 가진 세균에 도입함으로써 자발적으로 환경오염원에 까지 이동하고 스스로의 정화능력으로 오염원을 정화시키는 균주를 개발할 수 있다. 또한, 환경오염물질에 대하여 부주화성에 기여하는 MCP가 특정된다면 그 MCP유전자를 파괴함으로써 세균이 환경오염원으로부터 도망가는 것을 막을 수 있고 세균의 토착율을 높일 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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