[논문]PIV 및 TFM 측정 기법을 이용한 예쁜꼬마선충의 동적 패턴 가시화 연구

박진성; 윤병환; 신현정

doi:10.5407/jksv.2014.12.2.018

PIV 및 TFM 측정 기법을 이용한 예쁜꼬마선충의 동적 패턴 가시화 연구
Characterization of Dynamic Behavior of C. elegans in Different Physical Environments 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.12 no.2, 2014년, pp.18 - 22

박진성 (Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 윤병환 (Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 신현정 (Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Caenorhabditis elegans (C. elegans) is an undulatory nematode which exhibits two distinct locomotion types of swimming and crawling. Although in its natural habitat C. elegans lives in a non-Newtonian fluidic environment, our current understanding has been limited to the behavior of C. elegans in a simple Newtonian fluid. Here, we present some experimental results on the penetrating behavior of C. elegans at the interface from liquid to solid environment. Once C. elegans, which otherwise swims freely in a liquid, makes a contact to the solid gel boundary, it begins to penetrate vertically to the surface by changing its stroke motion characterized by a stiffer body shape and a slow stroke frequency. The particle image velocimetry (PIV) analysis reveals the flow streamlines produced by the stroke of worm. For the worm that crawls on a solid surface, we utilize a technique of traction force microscopy (TFM) to find that the crawling nematode forms localized force islands along the body where makes direct contacts to the gel surface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이는 아가 젤 표면 위를 덮은 얇은 물 막에 의해 예쁜꼬마선충이 젤 표면 아래 방향 쪽으로 강한 압력을 받으면서 이동하기 때문인데, 이러한 상황에서 예쁜꼬마선충에 의해 전달된 견인력에 의해 젤 표면에 영구적인 변형이 발생하기 때문에 TFM 측정을 위한 매질로는 적합하지 않다. 따라서, 본 연구에서는 아가 젤 대신에 젤라틴 (gelatin) 젤을 이용하여 예쁜꼬마선충에 의한 견인력 형성 패턴을 분석하고자 시도하였다.
이러한 새로운 생명 현상의 발견에 힘입어 최근 비뉴토니안 유체계 물성과의 상관관계 속에서 생명체의 이동 메커니즘을 이해하고자 다양한 시도가 이루어지고 있지만, 비뉴토니안 물성계가 갖고 있는 복잡성으로 인해 그 근본적인 이해에 도달하기까지는 아직까지는 많은 기술적 한계들을 갖고 있다. 본 논문에서는 비뉴토니안 유체계 속에서 이러한 생명체의 거동 현상을 이해하고자 하는 노력의 일환으로써, 다양한 물리적 매질 환경의 변화에 따른 예쁜꼬마선충의 이동 패턴 변화 양상을 시각화할 수 있는 실험 기법을 소개하고자 한다.
본 연구에서는 비뉴토니안 유체계에서 출현하는 예쁜꼬마선충의 행동 특이성을 이해하기 위한 한 방편으로 유체 역학 분야에서 광범위하게 사용되고 있는 PIV 분석 기법을 적용해 유체 또는 점탄성 매질의 경계면에서 수영하는 예쁜꼬마선충의 추진력 형성 패턴의 분석을 시도하였다. 예쁜꼬마선충은 자신의 몸통의 물성과 파동 형태를 효과적으로 바꿈으로써 강한 추진력을 얻을 수 있음을 확인하였다.

제안 방법

PIV 분석을 위해 polymethyl methacrylate (PMMA) 알갱이(5 μm diameter, volume fraction(Φ) ~ 0.1 %)들을 MC 용액에 섞어 사용하였으며, 실체 현미경 (SMZ 800, Nikon) (AxioCam MRm, Carl Zeiss, Germany)을 이용하여 1 Hz의 속도로 촬영하였다.
1 %)들을 MC 용액에 섞어 사용하였으며, 실체 현미경 (SMZ 800, Nikon) (AxioCam MRm, Carl Zeiss, Germany)을 이용하여 1 Hz의 속도로 촬영하였다. TFM 측정을 위해 최근 Tseng에 의해 개발된 ImageJ의 plugin을 이용하여 분석하였다⁶⁾.
유체 속에서 자유롭게 수영하던 예쁜꼬마선충이 젤 (gel) 경계면에 도달하게 되면, 젤 내부로 파고들고자 하는 과정에서 강한 추진력을 얻기 위해 자신의 몸통의 구부러짐 강도(bending stiffness)를 증가시킬 뿐 아니라 파동 패턴에 변화를 주는 현상을 실험적으로 관찰하였다. 또한, PIV 분석 기법에 기반을 둔 traction force microscopy (TFM) 측정 기법을 이용하여 확인한 젤 표면 위에서 기어다니는 예쁜꼬마선충에 의해 형성하는 견인력 (traction) 패턴 양상 분석을 통해, 견인력의 분포가 선충의 머리 주변과 몸통 하단부의 수직 방향으로 집중되어 있는 특성을 확인하였다.
Particle image velocimetry (PIV) 측정 기법은 유체의 흐름을 반영하는 수많은 작은 알갱이들의 시간에 대한 위치 변화 양상을 추적해서 유체의 흐름 패턴을 재구성하는 대표적인 유체 공학적 분석 기법이다. 본 연구에서는 전통적인 PIV 분석 기법을 응용하여, 유체 속에서 수영하는 예쁜꼬마선충의 파동 운동에 의해 형성되는 주변 유체의 유선(flow streamline)에 대한 공간적 속도 벡터장의 구현을 시도하였다. 유체 속에서 자유롭게 수영하던 예쁜꼬마선충이 젤 (gel) 경계면에 도달하게 되면, 젤 내부로 파고들고자 하는 과정에서 강한 추진력을 얻기 위해 자신의 몸통의 구부러짐 강도(bending stiffness)를 증가시킬 뿐 아니라 파동 패턴에 변화를 주는 현상을 실험적으로 관찰하였다.
예쁜꼬마선충의 이차원적 수영 운동성은 두 장의 얇은 현미경용 커버 글라스(dimension: 22 × 60 cm2, Fisher Scientific)를 이용해 만든 높이 약 120 μm의 챔버 내부에서 관찰하였다.
본 연구에서는 전통적인 PIV 분석 기법을 응용하여, 유체 속에서 수영하는 예쁜꼬마선충의 파동 운동에 의해 형성되는 주변 유체의 유선(flow streamline)에 대한 공간적 속도 벡터장의 구현을 시도하였다. 유체 속에서 자유롭게 수영하던 예쁜꼬마선충이 젤 (gel) 경계면에 도달하게 되면, 젤 내부로 파고들고자 하는 과정에서 강한 추진력을 얻기 위해 자신의 몸통의 구부러짐 강도(bending stiffness)를 증가시킬 뿐 아니라 파동 패턴에 변화를 주는 현상을 실험적으로 관찰하였다. 또한, PIV 분석 기법에 기반을 둔 traction force microscopy (TFM) 측정 기법을 이용하여 확인한 젤 표면 위에서 기어다니는 예쁜꼬마선충에 의해 형성하는 견인력 (traction) 패턴 양상 분석을 통해, 견인력의 분포가 선충의 머리 주변과 몸통 하단부의 수직 방향으로 집중되어 있는 특성을 확인하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 예쁜꼬마선충(N2, wild type)은 Caenorhabditis Genetics Center (CGC, Univ. of Minnesota, USA)로부터)에서 구입하였으며, 몸통 길이가 약 1 mm정도까지 자란 성체(몸통 두께 ~60 μmm)를 이용하였다.

성능/효과

2) 또한, 긴 원통형 몸체를 지닌 선충(nematode)의 경우에 정자와는 달리 점탄성 비뉴토니안 유체계에서는 수영 효율이 감소하지만, 이들의 실제 서식 환경인 물기를 함유한 진흙 환경을 모방한 흐르는 유체 알갱이 계에서는 그 이동 속도가 급격히 증가되는 현상이 관찰되었다^{3, 4)}.
이는 예쁜꼬마선충에 의해 형성된 견인력에 따른 젤 표면 변형과 이를 원상태로 되돌리고자 하는 젤라틴 젤의 복원력 간의 경쟁에 따른 결과로 이해할 수 있다. 둘째, 예쁜꼬마선충에 의해 형성된 젤 위의 견인력 분포는 몸통 주변으로 균일하게 형성되어 있지 않다. Fig.
첫째, 젤 경계 면에 닿은 후에, 예쁜꼬마선충은 자신의 머리 부분을 경계면에 수직으로 꼿꼿이 세운 후 파고드는 행동을 출현한다. 둘째, 젤 경계면에 수직으로 박혀 있는 예쁜꼬마선충의 머리 부분을 제외한 나머지 몸통은 몸통의 구부러짐 강도(bending stiffness)가 증가되어, 막대기처럼 곧게 뻗은 채 노를 젓는 것과 같은 방식으로 운동한다. 셋째, 일반적인 수영 운동시 측정된 예쁜꼬마선충의 파동 주기가 약 2 Hz정도인 반면에, 이와 같이 파고드는 운동성을 출현하는 과정에서 뻣뻣한 몸통을 이용한 파동 진동수는 약 0.
예쁜꼬마선충은 자신의 몸통의 물성과 파동 형태를 효과적으로 바꿈으로써 강한 추진력을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한, PIV 분석법을 응용한 TFM 측정은 점탄성 젤 표면 위를 기어다니는 예쁜꼬마선충의 동적 특성을 선명하게 나타내 보여 주었다. 기존에 이론적으로 예측된 것과는 달리, 예쁜꼬마선충은 자신의 몸통의 국부적인 부위에 힘을 집중시키는 방식으로 견인력을 형성하고 있었다.
둘째, 젤 경계면에 수직으로 박혀 있는 예쁜꼬마선충의 머리 부분을 제외한 나머지 몸통은 몸통의 구부러짐 강도(bending stiffness)가 증가되어, 막대기처럼 곧게 뻗은 채 노를 젓는 것과 같은 방식으로 운동한다. 셋째, 일반적인 수영 운동시 측정된 예쁜꼬마선충의 파동 주기가 약 2 Hz정도인 반면에, 이와 같이 파고드는 운동성을 출현하는 과정에서 뻣뻣한 몸통을 이용한 파동 진동수는 약 0.3 Hz로 매우 느려졌다.
본 연구에서는 비뉴토니안 유체계에서 출현하는 예쁜꼬마선충의 행동 특이성을 이해하기 위한 한 방편으로 유체 역학 분야에서 광범위하게 사용되고 있는 PIV 분석 기법을 적용해 유체 또는 점탄성 매질의 경계면에서 수영하는 예쁜꼬마선충의 추진력 형성 패턴의 분석을 시도하였다. 예쁜꼬마선충은 자신의 몸통의 물성과 파동 형태를 효과적으로 바꿈으로써 강한 추진력을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한, PIV 분석법을 응용한 TFM 측정은 점탄성 젤 표면 위를 기어다니는 예쁜꼬마선충의 동적 특성을 선명하게 나타내 보여 주었다.
이와 같은 예쁜꼬마선충의 파동 운동성의 변화에 따른 주변 유선 벡터장 패턴의 형성 영역은 자유로운 수영 이동시에 형성된 벡터장 형성 면적보다 약 2배 이상 넓어져 있음을 확인할 수 있다 (Fig. 2(c)).
4(b)에서의 주황색 실선)의 동력학적 특징은 다음과 같다. 첫째, 점탄성 젤라틴 젤 표면 위에서 예쁜꼬마선충은 매우 불규칙적인 파동 패턴을 출현하며, 아가 젤 위에서 측정된 운동성과 비교해 볼 때 매우 낮은 운동 효율로 이동한다. 이는 예쁜꼬마선충에 의해 형성된 견인력에 따른 젤 표면 변형과 이를 원상태로 되돌리고자 하는 젤라틴 젤의 복원력 간의 경쟁에 따른 결과로 이해할 수 있다.

후속연구

향후 본 측정 기법을 이와 같은 예쁜꼬마선충의 이동 모드 방식이 적용함으로써 다양한 비뉴토니안 유체 환경 속에서 출현하는 힘의 패턴의 차이에 대한 가시화를 시도하고자 한다. 이러한 연구는 생명체의 운동 메커니즘과 비뉴토니안 유체계의 물성의 상관 관계를 이해할 수 있는 중요한 단서를 제공해 줄 것으로 기대되는 바이다.
예쁜꼬마선충은 직진 이동 모드 이외에도 후진 이동이나 “Ω-turn” 과 같은 방향 전환을 위한 다양한 이동 모드를 출현한다. 향후 본 측정 기법을 이와 같은 예쁜꼬마선충의 이동 모드 방식이 적용함으로써 다양한 비뉴토니안 유체 환경 속에서 출현하는 힘의 패턴의 차이에 대한 가시화를 시도하고자 한다. 이러한 연구는 생명체의 운동 메커니즘과 비뉴토니안 유체계의 물성의 상관 관계를 이해할 수 있는 중요한 단서를 제공해 줄 것으로 기대되는 바이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Particle image velocimetry (PIV) 측정 기법이란?	Particle image velocimetry (PIV) 측정 기법은 유체의 흐름을 반영하는 수많은 작은 알갱이들의 시간에 대한 위치 변화 양상을 추적해서 유체의 흐름 패턴을 재구성하는 대표적인 유체 공학적 분석 기법이다. 본 연구에서는 전통적인PIV 분석 기법을 응용하여, 유체 속에서 수영하는 예쁜꼬마선충의 파동 운동에 의해 형성되는 주변 유체의 유선(flow streamline)에 대한 공간적 속도 벡터장의 구현을 시도하였다.
	2% 아가 젤을 마주한 예쁜꼬마선충의 행동 패턴은?	2(a)). 첫째, 젤 경계 면에 닿은 후에, 예쁜꼬마선충은 자신의 머리 부분을 경계면에 수직으로 꼿꼿이 세운 후 파고드는 행동을 출현한다. 둘째, 젤 경계면에 수직으로 박혀 있는 예쁜꼬마선충의 머리 부분을 제외한 나머지 몸통은 몸통의 구부러짐 강도(bending stiffness)가 증가되어, 막대기처럼 곧게 뻗은 채 노를 젓는 것과 같은 방식으로 운동한다. 셋째, 일반적인 수영 운동시 측정된 예쁜꼬마선충의 파동 주기가 약 2 Hz정도인 반면에, 이와 같이 파고드는 운동성을 출현하는 과정에서 뻣뻣한 몸통을 이용한 파동 진동수는 약 0.3 Hz로 매우 느려졌다.
	확보한 예쁜꼬마선충은 어떤 특징을 가지고 있는가?	본 실험에 사용된 예쁜꼬마선충(N2, wild type)은 Caenorhabditis Genetics Center (CGC, Univ. of Minnesota, USA)로부터)에서 구입하였으며, 몸통 길이가 약 1 mm정도까지 자란 성체(몸통 두께 ~60 μmm)를 이용하였다. 예쁜꼬마선충의 이차원적 수영 운동성은 두 장의 얇은 현미경용 커버 글라스(dimension: 22 × 60 cm2 , Fisher Scientific)를 이용해 만든 높이 약 120 μm의 챔버 내부에서 관찰하였다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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].

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