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기계적으로 다른 환경에서 예쁜 꼬마선충의 기는 파형 변화

Effects of Mechanically Different Environments on the Crawling Waveform of Caenorhabditis Elegans

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.2 = no.317, 2012년, pp.125 - 130  

김대연 (한국과학기술원 기계공학과) ,  변수영 (한국과학기술원 기계공학과) ,  김세호 (한국과학기술원 기계공학과) ,  신현정 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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예쁜 꼬마선충은 모델 생물로서 지금까지 행동과 이를 제어하는 신경세포들 사이의 관계를 밝히기 위한 많은 연구들이 수행되었다. 본 연구에서는 표면의 강성이 다른 고체 환경에서 꼬마선충의 운동관련 적응 행동을 연구하였다. 꼬마선충은 고체 위에서 움직일 때 기는 파형을 조절함으로써 기계적으로 다른 환경에 적응을 한다. 즉, 외부환경이 더 단단해질수록 꼬마선충의 기는 파형의 진폭과 파장이 감소하게 된다. 흥미로운 사실은 기계적인 감각에 결함이 있는 돌연변이의 경우 정상 꼬마선충과는 다른 적응행동을 보인다는 것이다. 이것은 기계적으로 다른 환경에 효과적으로 적응하기 위해서 기계적인 자극을 감지하고 반응하고 적응하는 기작이 있음을 의미한다. 이에 본 연구에서는 꼬마선충이 기계적으로 다른 환경에 적응하는 과정을 설명할 수 있는 신경회로 모델을 제안하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The nematode Caenorhabditis elegans is a widely used model organism in biological research. Thanks to the availability of well-established knowledge about its neural connectivity, a wide range of studies have been attempted to uncover the relationship between behaviors and the responsible neurons. I...

주제어

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문제 정의

  • (13) 따라서 이러한 기계자극 수용 신경세포에 결함이 있는 돌연변이의 경우 외부의 기계적인 물성치 변화에 반응을 보이지 못할 가능성에 대해 고찰해 보았다. 기계자극 수용 신경세포에는 기계적인 자극을 전기화학적인 신호로 변환해주는 이온채널이 있는데 mec-4 유전자가 발현된 단백질은 이 이온채널을 이루는 서브유닛(Subunit) 에 해당한다.
  • 더 나아가 외부의 기계적인 환경의 차이에 적응하는 행동에 기계적인 감각(Mechanosensation)이 관여하는지를 돌연변이 연구를 통해 고찰하고 그 결과를 토대로 기계적인 감각을 통한 정현파의 형태를 조절하는 신경회로를 최초로 제안하였다. 그러므로 본 연구는 기계적인 환경의 차이에 적응하는 동물의 적응행동과 신경세포 사이의 관계를 연구하는데 유용한 기초지식을 제공해줄 수 있는 중요한 연구결과라고 할 수 있다.
  • 꼬마선충이 고체표면에서 기는 운동을 할 때 바닥 면의 강성에 따라 정현파의 형태를 어떻게 바꾸면서 적응하는지를 연구하였다. 꼬마선충은 표면의 강성이 증가하여 기계적인 부하를 많이 받을수록 정현파의 진폭과 파장을 감소시키면서 형태를 바꾸었다.
  • 꼬마선충이 움직이는 표면의 강성을 변화시켜가면서 꼬마선충이 만들어내는 정현파의 형상이 어떻게 바뀌는지 연구하였다. Group 1 실험군의 경우는 아가 플레이트 위에서 기는 운동 조건을 Group 2 실험군으로는 두 아가 플레이트 사이에서 샌드위치 된 채로 기는 운동 조건을 비교 분석하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 기는 운동의 경우 꼬마선충이 움직이는 표면의 강성에 따라 정현파의 형태를 어떻게 바꾸면서 적응하는지를 연구하였다. 더 나아가 외부의 기계적인 환경의 차이에 적응하는 행동에 기계적인 감각(Mechanosensation)이 관여하는지를 돌연변이 연구를 통해 고찰하고 그 결과를 토대로 기계적인 감각을 통한 정현파의 형태를 조절하는 신경회로를 최초로 제안하였다.

가설 설정

  • 기계자극 수용 신경세포에는 기계적인 자극을 전기화학적인 신호로 변환해주는 이온채널이 있는데 mec-4 유전자가 발현된 단백질은 이 이온채널을 이루는 서브유닛(Subunit) 에 해당한다.(14) 본 연구에서는 외부의 기계적인 환경의 차이가 있을 때 꼬마선충이 정현파의 형상을 조절하여 적응하는 행동에 있어서 기계적인 감각이 중요한 역할을 할 것으로 가정하였다. 이를 검증하기 위하여 앞에서 언급한 mec-4(d) 돌연 변이 꼬마선충을 실험에 도입하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
꼬마선충의 장점은 무엇인가? 예쁜 꼬마선충(Caenorhabditis elegans)은 둥글고 긴 선충(Round worm)으로서 물기가 있는 흙 속에서 서식한다. 꼬마선충은 실험실에서 쉽게 유지 및 배양할 수 있으며 크기가 작고(~1mm) 생애주기가 짧은(~3 일) 장점을 가지고 있다.(1,2) 뿐만 아니라 DNA 염기서열이 완전히 밝혀졌고 투명하여 관찰에 용이하고 신경세포 사이의 연결관계가 전부 알려져 있어서 생물학 분야에서 모델 생물 (Model organism)로서 활발히 연구되고 있다.
예쁜 꼬마선충의 특징은 무엇인가? 예쁜 꼬마선충(Caenorhabditis elegans)은 둥글고 긴 선충(Round worm)으로서 물기가 있는 흙 속에서 서식한다. 꼬마선충은 실험실에서 쉽게 유지 및 배양할 수 있으며 크기가 작고(~1mm) 생애주기가 짧은(~3 일) 장점을 가지고 있다.
꼬마선충이 생물학 분야에서 모델 생물로 연구되는 이유는 무엇인가? 꼬마선충은 실험실에서 쉽게 유지 및 배양할 수 있으며 크기가 작고(~1mm) 생애주기가 짧은(~3 일) 장점을 가지고 있다.(1,2) 뿐만 아니라 DNA 염기서열이 완전히 밝혀졌고 투명하여 관찰에 용이하고 신경세포 사이의 연결관계가 전부 알려져 있어서 생물학 분야에서 모델 생물 (Model organism)로서 활발히 연구되고 있다.(3) 무엇보다도 꼬마선충은 전체 세포 수 959 개 중에 302 개가 신경세포로 되어있어 다양한 신경작용과 여러 가지 행동 양식을 가지고 있으므로 동물의 행동과 신경세포 사이의 관계를 연구하는 행동신경과학(Behavioral neuroscience)에 중요한 모델이 되어 왔다.
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참고문헌 (15)

  1. Byerly, L., Cassada, R. C. and Russell, R. L., 1976, "The Life Cycle of the Nematode Caenorhabditis Elegans," Dev Biol, Vol. 51, No. 1, pp. 23-33. 

  2. Wood, W. B., 1988, "The Nematode Caenorhabditis Elegans," Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, pp. 1-16. 

  3. White, J. G., Southgate, E., Thomson, J. N. and Brenner, S. 1986, "The Structure of the Nervous System of the Nematode Caenorhabditis Elegans," Philos Trans R Soc Lond B, Vol. 314, No. 1165, pp. 1-340. 

  4. Iino, Y. and Yoshida, K. 2009, " Parallel Use of Two Behavioral Mechanisms for Chemotaxis in Caenorhabditis Elegans," J Neurosci, Vol. 29, No. 17, pp. 5370-5380. 

  5. Mori, I. and Ohshima, Y. 1995, "Neural Regulation of Thermotaxis in Caenorhabditis Elegans," Nature, Vol. 376, pp. 344-348. 

  6. Gabel, C. V., Gabel, H., Pavlichin, D., Kao, A., Clark, D. A. and Samuel, A. D. T. 2007, " Neural Circuits Mediate Electrosensory Behavior in Caenorhabditis Elegans," J Neurosci, Vol. 27, No. 28, pp. 7586-7596. 

  7. Berri, S., Boyle, J. H., Tassieri, M., Hope, I. A. and Cohen, N., 2009 "Forward Locomotion of the Nematode C. Elegans is Achieved Through Modulation of a Single Gait" HFSP J, Vol. 3, No. 3, pp. 186-193. 

  8. Fang-Yen, C., Wyart, M., Xie, J., Kawai, R., Kodger, T., Chen, S., Wen, Q. and Samuel, A. D. T., 2010, "Biomechanical Analysis of Gait Adaptation in the Nematode Caenorhabditis Elegans," Proc Natl Acad Sci USA, Vol. 107, No. 47, pp. 20323-20328. 

  9. Park, S. J., Goodman, M. B. and Pruitt, B. L., 2007, "Analysis of Nematode Mechanics by Piezoresistive Displacement Clamp," Proc Natl Acad Sci USA, Vol. 104, No. 44, pp. 17376-17381. 

  10. Niebur, E. and Erdos, P., 1991, "Theory of the Locomotion of Nematodes: Dynamics of Undulatory Progression on a Surface," Biophys J, Vol. 60, No. 5, pp. 1132-1146. 

  11. Brenner, S., 1974, "The Genetics of Caenorhabditis Elegans," Genetics, Vol. 77, No. 1, pp. 71-94. 

  12. Goodman, M. B. and Schwarz, E. M., 2003, "Transducing Touch in Caenorhabditis Elegans," Annu Rev Physiol, Vol. 65, pp. 429-452. 

  13. Chatzigeorgiou, M., Grundy, L., Kindt, K. S., Lee, W.-H., Driscoll, M. and Schafer, W. R., 2010, "Spatial Asymmetry in the Mechanosensory Phenotypes of the C. elegans DEG/ENaC Gene mec-10," J Neurophysiol, Vol. 104, No. 6, pp. 3334-3344. 

  14. O'Hagan, R., Chalfie, M. and Goodman, M. B., 2005, "The MEC-4 DEG/ENaC Channel of Caenorhabditis Elegans Touch Receptor Neurons Transduces Mechanical Signals," Nat Neurosci, Vol. 8, No. 1, pp. 43-50. 

  15. Gray, J. M., Hill, J. J. and Bargmann, C. I., 2005, "A Circuit for Navigation in Caenorhabditis Elegans," Proc Natl Acad Sci USA, Vol. 102, No. 9, pp. 3184-3191. 

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