[논문]박테리아의 주화성에 의한 미세입자의 운동

김동욱; 김영원; 유정열

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.5.523

박테리아의 주화성에 의한 미세입자의 운동
Motion of Microbeads Propelled by Bacterial Chemotaxis 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.5 = no.296, 2010년, pp.523 - 529

김동욱 (서울대학교 기계항공공학부) , 김영원 (서울대학교 차세대 기계항공시스템 창의설계 인력양성사업단) , 유정열 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
AI-Helper

Micro actuator의 동력원으로 박테리아 주화성을 기반으로 한 편모박테리아 운동은 널리 연구되고 있다. 본 연구에서는 마이크로입자 추적유속계($\mu$-PTV)를 이용하여 박테리아 주화성에 의해 추진되는 형광입자의 움직임을 분석하였다. 일반적으로 활발한 운동성을 지니고 있는 편모 박테리아 중 Serratia marcescens가 배양액속에서 형광 폴리스티렌 미세입자 표면에 자발적으로 붙게 된다. 박테리아가 부착된 미세입자를 고형화된 화학적 유인물질 L-aspartate가 담겨져 있는 유체 속으로 주입하고, 시간에 따라 입자들이 서서히 L-aspartate가 높은 농도를 가지는 구역으로 이동하는 것을 관찰하였다. 본 연구의 결과로 편모박테리아가 micro actuator의 효율적인 동력원 개발에 적용될 수 있는 가능성을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, several research groups have been investigating the motion of flagellated bacteria, with the aim of examining the feasibility of using bacterial chemotaxis as an efficient power source for microactuators. In this study, microparticle-tracking velocimetry ($\mu$-PTV) is used for investigating the motion of fluorescent microbeads propelled by bacterial chemotaxis. Flagellated bacteria, Serratia marcescens, are spontaneously attached to the surface of the fluorescent polystyrene (PS) microbeads in an aqueous culture. The microbeads thus treated are injected into the test medium, which contains the solidified chemoattractant L-aspartate. With time, the particles slowly move toward the zone in which the L-aspartate concentration is high. This study shows that chemotaxis of flagellated bacteria can be applied as an efficient power source for microactuators.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나 작은 물체를 원하는 방향으로 이동시키는 연구는 현재까지 이루어지지 않고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 박테리아를 동력원으로 하여 미세입자를 원하는 방향으로 이동해 보고자 한다. 이를 통하여 화학적 유인물질을 이용하여 미세입자가 박테리아에 의해 방향이 제어될 수 있음을 제시하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 박테리아를 동력원으로 하여 미세입자를 원하는 방향으로 이동해 보고자 한다. 이를 통하여 화학적 유인물질을 이용하여 미세입자가 박테리아에 의해 방향이 제어될 수 있음을 제시하고자 한다.

가설 설정

7을 통해서 그래프로 표현하였다. 이 때 입자의 위치는 초기 위치 즉, 제일 첫 사진의 위치를 원점으로 가정하여 위치를 시간에 따라서 표시하였다. Fig.
입자의 움직임을 더욱 쉽게 가시화하기 위해서 수은 램프로 입자를 발현시켜서 촬영하기도 하였다. 이렇게 촬영한 미세입자들의 움직임을 각기 다른 색을 이용하여 Fig. 6에 표현하였으며, 이 미세입자들의 움직임은 입자들의 초기 위치를 원점으로 가정하여 표현하였다. Fig.

제안 방법

모든 실험에 앞서서 우선 미세입자에 박테리아가 부착되어 있는지 현미경을 통해서 관찰하였다. Fig.
이 과정을 5회 정도 반복하여 입자의 표면을 세척한 후 입자는 DI water에 보관한다. 이제 박테리아를 Nutrient broth에 배양하고 이를 tissue culture dish(20101, SPL, Korea)에 옮긴 후 그 위에 투입하였다.
2는 실험장치의 개략도를 나타낸다. 현미경(IX50, Olympus Corp., Japan) 에 Cooled-CCD 카메라(SENSICAM, PCO Corp., Germany)를 연결하였으며 10배와 40배의 대물렌즈(UPlanFL NA 0.3, Olympus Corp., Japan)을 사용하여 실시간 영상을 확인 및 기록하기 위해서 컴퓨터를 통해서 제어하였다. 형광 입자를 발광할 수 있게 하는 수은 램프(U-LH100HG 100-W, Olympus Corp.

대상 데이터

8 정도 사이에서 Nutrient broth 안에서 배양된다. OD값의 측정을 위해 헬륨-네온(He-Ne) 레이저(633-nm wavelength)가 사용되고 비교매체로써는 증류수(DI water)가 사용되었다. OD값 측정의 실험장치는 Fig.
또한 박테리아가 자외선를 싫어한다는 성질을 이용하여 순간적인 자외선 노출을 통해서 이 조각의 움직임을 멈추게도 하였다. 또한 Behkam and Sitti⁽²⁾는 Steager 등⁽⁷⁾이 했던 방법과 달리 PDMS 조각이 아닌 흔히 실험에 사용되고 있는 폴리스티렌 미세입자를 이용하였다. 이들은 박테리아 배양액 속에 이 미세입자를 넣어 박테리아들의 움직임에 따른 미세입자의 이동을 관찰하기도 하였으며, 플라즈마를 이용하여 미세입자의 표면에 박테리아가 거의 절반 정도만 붙게끔도 하고 전체적으로 붙을 수 있게끔 하여 미세입자를 운동시키는데 성공하기도 하였다.
실험에 사용된 마이크로플루이딕 플랫폼은 PDMS와 slide glass로 만들어졌으며, 내부 웰의 크기는 가로 10 mm, 세로 10 mm, 높이 2 mm이다. 박테리아 배양액으로 Nutrient broth(SIGMA)를 사용하였고, 이를 웰 내부에 주입하였다. 화학적 유인물질은 박테리아가 좋아한다고 알려져 있는 L.
하지만 입자의 움직임을 추적해야 하기 때문에 청색광에 발현하는 크기가 5 ㎛인 형광입자를 사용하였다. 실험에 사용된 마이크로플루이딕 플랫폼은 PDMS와 slide glass로 만들어졌으며, 내부 웰의 크기는 가로 10 mm, 세로 10 mm, 높이 2 mm이다. 박테리아 배양액으로 Nutrient broth(SIGMA)를 사용하였고, 이를 웰 내부에 주입하였다.
실험에 사용된 박테리아는 Serratia marcescens로 진한 붉은색의 색소를 생산하는 잡세균의 하나이다. 동물성·식물성 식품에 생기는 균으로, 면역학적으로 손상받은 환자에서는 심내막염 및 폐렴 따위를 일으킨다.
배양시에는 처음에 동결건조된 박테리아를 배양할 때와 마찬가지로 37℃, 150 rpm로 배양하며, 12시간 정도 배양하면 실험에 사용될 만큼 성장한다. 실험에 사용될 S. marcescens는 박테리아가 배양되고 있는 액체배지의 OD(optical density)값에 근거하였다. OD값은 박테리아 움직임의 지표로 사용되며 0.
박테리아를 배양하기 앞서서 동결건조된 박테리아가 요구되며, 이는 앰플 형태로 존재한다. 이런 동결건조된 S. marcescens의 앰플은 서울대학교 미생물연구소(IMSNU-13029)에서 구입하였다. 동결건조된 박테리아는 배양기 안에서 배양되며 Nutrient broth(N7519-250G, Sigma, USA) 에서 37℃, 150 rpm로 6시간 정도 배양한 후 다시 Nutrient agar plate(213000, Difco, France)에서 37℃로 50시간 정도 배양한다.
이 실험에서는 박테리아의 움직임을 직접적으로 추적하는 것이 아니기 때문에 녹색광에 발현하는 박테리아를 직접 이용할 필요는 없다. 하지만 입자의 움직임을 추적해야 하기 때문에 청색광에 발현하는 크기가 5 ㎛인 형광입자를 사용하였다. 실험에 사용된 마이크로플루이딕 플랫폼은 PDMS와 slide glass로 만들어졌으며, 내부 웰의 크기는 가로 10 mm, 세로 10 mm, 높이 2 mm이다.
박테리아 배양액으로 Nutrient broth(SIGMA)를 사용하였고, 이를 웰 내부에 주입하였다. 화학적 유인물질은 박테리아가 좋아한다고 알려져 있는 L. aspartate와 Nutrient agar를 혼합하여 사용하였다.

성능/효과

각기 어떠한 방향으로 이동하는 것처럼 보이지만 움직이는 입자들간에는 아무런 상관관계가 존재하지 않았다. 그러나 박테리아가 존재하는 공간안에 화학적 유인물질이 존재할 경우 편모박테리아는 박테리아의 주화성에 의해서 화학적 유인물질이 있는 곳으로 이동하는 것을 다시 한번 확인할 수 있었으며, 편모박테리아가 부착된 미세입자 또한 화학적 유인물질이 있는 방향으로 움직이는 경향성이 있음을 이번 실험을 통해서 밝힐 수 있었다. 또한 박테리아의 주화성을 이용해서 단순히 박테리아 뿐만 아니라 작은 물체들도 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다.
그러나 박테리아가 존재하는 공간안에 화학적 유인물질이 존재할 경우 편모박테리아는 박테리아의 주화성에 의해서 화학적 유인물질이 있는 곳으로 이동하는 것을 다시 한번 확인할 수 있었으며, 편모박테리아가 부착된 미세입자 또한 화학적 유인물질이 있는 방향으로 움직이는 경향성이 있음을 이번 실험을 통해서 밝힐 수 있었다. 또한 박테리아의 주화성을 이용해서 단순히 박테리아 뿐만 아니라 작은 물체들도 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다. 추후, 이번 실험에서 중점적으로 관찰했던 웰의 우측 뿐만 아니라 웰의 여러 다른 부분에 존재하는 미세입자들의 움직임을 후속연구를 통해서 더 정밀하게 파악할 수 있을 것으로 기대된다.
Park 등⁽⁵⁾은 박테리아의 주화성을 이용하여 박테리아를 원하는 곳으로 이동가능케 하는 제어기술의 가능성을 보였다. 어떤 특정한 위치에 화학적 물질을 위치시키고 박테리아들이 이 화학적 물질로 이동하는 것을 보였는데, 특히 이 연구에서는 박테리아가 미로와 같은 복잡한 채널 내부에서도 화학적 물질의 냄새를 맡고 찾아갈 수 있다는 것을 실험을 통해보였다. 이러한 박테리아의 주화성을 통해 Pandey and Jain⁽⁶⁾은 환경오염물질을 제어할 수 있는 가능성이 있다는 것을 보였으며, Kim and Breuer⁽⁴⁾은 마이크로플루이딕 시스템 내부에서 편모 박테리아를 이용한 마이크로펌프를 선보이기도 하였다.
10에서 보면 확실하게 입자들이 다른 방향이 아니고, 유인물질이 존재하고 있는 웰의 가운데 부분, 좌측 상단으로 가고 있다는 것을 알 수 있다. 이를 통해서 박테리아가 붙은 미세입자는 화학적 유인물질이 존재하는 웰의 중앙으로 이동하는 경향성이 있음을 알 수 있었다.
이번 실험에서 화학적 유인물질이 없을 때, 실험에 사용된 Serratia marcescens가 붙은 미세입자는 이전 연구들의 결과와 일치하게 방향성이 없는 움직임을 보였다. 각기 어떠한 방향으로 이동하는 것처럼 보이지만 움직이는 입자들간에는 아무런 상관관계가 존재하지 않았다.
방향에 대한 일정한 경향성을 찾아볼 수 없었던 화학적 유인물질이 없을 때의 결과와는 다르게 화학적 유인물질이 존재할 경우에는 방향에 대한 일정한 경향성이 나타났다. 즉, 화학적 유인물질이 존재할 경우 입자들의 움직임은 웰의 중앙에 위치하고 있는 유인물질을 향해서 이동한다는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

편모 박테리아는 활발한 운동성을 지니고 있어서 바이오공학분야에서 추진체의 새로운 동력원이 될 수 있을 것이라 많은 기대를 받고 있다. 이러한 편모 박테리아를 이용한 실험은 기존의 동력원들과 달리 생물체를 직접 이용한다는 측면에서 여러 분야에 응용될 것으로 기대된다.
또한 박테리아의 주화성을 이용해서 단순히 박테리아 뿐만 아니라 작은 물체들도 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다. 추후, 이번 실험에서 중점적으로 관찰했던 웰의 우측 뿐만 아니라 웰의 여러 다른 부분에 존재하는 미세입자들의 움직임을 후속연구를 통해서 더 정밀하게 파악할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	박테리아의 주화성은 양성과 음성으로 나뉘는 데 각각을 설명하세요.	이를 박테리아의 주화성(bacterial chemotaxis)이라고 한다. 박테리아의 주화성은 그 성질에 따라서 양성과 음성으로 나뉘는데, 박테리아로 하여금 원하는 물질이 있는 방향으로 이동을 촉진하는 성질을 양의 주화성, 원하지 않는 물질로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 성질을 음의 주화성이라고 한다. 이러한 성질을 지닌 박테리아 중에서 Serratia marcescens는 가장 강력한 움직임을 가지는 박테리아 중 하나로 알려져 있으며, 다른 편모 박테리아와 마찬가지로 편모를 회전시켜 스스로 추진한다.
	박테리아는 이동하기 위해 편모를 어느 방향으로 회전시키는가?	이 편모는 박테리아에서 프로펠러와 같은 역할을 하며 편모의 시작 부분을 현미경으로 확대해서 관찰하면 모터와 같은 형상을 지니고 있다. 이러한 박테리아는 편모를 회전시킴으로써 이동하는데, 앞으로 움직이기 위해서는 편모를 반시계 방향으로 움직인다. 그리고 박테리아는 이동방향을 바꾸기 위해서는 편모의 회전방향을 갑자기 시계 방향으로 바꾸며 원래의 방향에서 몸체를 구른 다음 방향을 조정한다. 이러한 박테리아는 다른 동물들이 먹이가 많은 곳으로 이동하는 것과 마찬가지로 자신의 음식을 찾아서 이동한다.
	편모 박테리아를 이용한 bio-actuator의 장점은 무엇인가?	이렇듯 편모 박테리아를 이용하는 연구는 박테리아의 운동특성을 토대로 하여 마이크로 로봇 등의 actuator로 사용할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 또한 bio-actuator는 기존의 기계적 actuator들보다 훨씬 작고, 복잡한 움직임의 구현이 가능하며, 아주 효율적으로 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다는 점에서 장점을 가지고 있다. 그러나 박테리아를 직접적인 동력원으로 하는 연구는 현재까지 널리 연구되지 않고 있다.

참고문헌 (7)

Behkam, B. and Sitti, M., 2007, "Bacterial Flagella-based Propulsion and On/off Motion Control of Microscale Objects," Appl. Phys. Lett., Vol. 90, No. 2, 023902.

상세보기
Behkam, B. and Sitti, M., 2008, "Effect of Quantity and Configuration of Attached Bacteria on Bacterial Propulsion of Microbeads," Appl. Phys. Lett., Vol. 93, No. 22, 223901.

상세보기
Jeon, H., Lee, Y., Jin, S., Koo, S., Lee, C., Yoo, J., 2009, "Quantitative Analysis of Single Bacterial Chemotaxis Using a Linear Concentration Gradient Microchannel," Biomed. Microdevices, Vol. 11, No. 5, pp. 1135-1143.

상세보기
Kim, M. J. and Breuer, K. S., 2008, "Microfluidic Pump Powered by Self-Organizing Bacteria," Small, Vol. 4, No. 1, pp. 111-118.

상세보기
Park, S., Wolanin, P. M., Yuzbashyan, E. A., Lin, H., Darnton, N. C., Stock, J. B., 2003, "Influence of Topology on Bacterial Social Interaction," Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 100, No. 24, pp. 13910-13915.

상세보기
Pandey, G. and Jain, R. K., 2002, "Bacterial Chemotaxis toward Environmental Pollutants: Role in Bioremediation," Appl. Environ. Microbiol., Vol. 68, No. 12, pp. 5789-5795.

상세보기
Steager, E., Kim, C., Patel, J., Bith, S., Naik, C., 2007, "Control of Microfabricated Structures Powered by Flagellated Bacteria Using Phototaxis," Appl. Phys. Lett., Vol. 90, No. 26, 263901.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증