박테리아의 언어를 해킹하는 숙주

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박테리아의 언어를 해킹하는 숙주
제안자 구재형
자문교원 구재형
연도 2020
타입 A형 과제
코스 프란시스 크릭
매칭여부 Yes
참여학생수 4
소개동영상

제안 배경

사람은 “언어”를 통하여 의사소통을 한다. 곤충은 “페로몬”이라는 물질을 방출하여 종간에 의사소통은 한다. 그렇다면 박테리아는 어떻게 의사소통을 하는가? 박테리아는 증식 중 각 세포가 분비하는 화학 신호물질이 세포 밀도와 비례하여 축적되어 특정 농도에 이르게 되면 박테리아는 세포밀도 의존적으로 유전자 발현을 통하여 의사소통을 하는 것으로 알려져 있다. 해당 화학 물질을 “자가유도물질 (autoinducer, AI)”이라고 하고 박테리아는 자가유도물질을 이용한 “정족수 감지 (quorum sensing; QS)”를 통하여 의사소통을 한다. 즉, 자가유도물질은 “박테리아의 언어”라 할 수 있다.

이와 같이 현상은 이미 1970에 과학자들에 의해 처음 보고 되었다 [1]. 이는 새로 접종한 배양배지에서는 박테리아가 잘 자라지 않지만 어느 정도 개체수가 크게 증가한 후에만 가능해진다는 것에 착안하여 이런 현상을 autoinduction라고 불렀다. 박테리아는 QS을 사용하여 특정 표현형 유전자의 발현을 조절하고 결과적으로 그들의 행동을 조율한다. 박테리아의 바이오필름 형성, 독성인자 발현 및 운동성 등이 이들에 포함 된다 [2]. 대표적인 예는 구강내부의 박테리아에 의한 세균의 석회화인 “치석”을 들 수 있다. 박테리아는 QS를 이용하기 위하여 “AI”이라는 분자를 분비하고 그것의 농도 변화를 인지하고 그 반응에 의해 유전체의 발현을 조절하고 결국 다양한 집단행동을 유발 한다 [2]. 그람(+)박테리아의 경우 AI로 autoinducing peptide (AIP)를 이용하며 높은 농도의 AIP는 수용체를 활성화하고 그것은 전사인자를 인산화 시키는 2성분 시스템을 갖는다 [3]. 그람(-)박테리아의 경우 N-acyl homoserine lactone (AHL)을 생산하고 이들은 추가적인 프로세스를 가지지 않고 전사인자를 바로 조절하여 유전자 발현을 조율한다 [3]. 위의 2가지 시스템을 동시에 가지고 있는 박테리아도 있다. QS에 관련된 AI의 종류 및 관련 수용체, 전사인자에 대한 구조, 그 작용기작, 등 많은 연구가 광범위하게 이루어져 있다. 수행된 연구를 종합해 보면 박테리아의 AI에 의한 QS은 오랜 진화동안 너무나 잘 보존되어 있으며 정교하게 발전되어 왔다. 그러나 이것은 엄밀히 말하면 박테리아가 생존의 측면에서 보는 관점이다 [4, 도식표].

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최근 사람들은 언어뿐만 아니라 컴퓨터, SNS, 등 다양한 수단을 통하여 의사소통을 하고 있다. 다양한 의사소통 수단이 증가함에 따라 이런 수단을 방해하거나 역으로 이용하는 경우도 동시에 증가하고 있다.

그렇다면 여기에서 재미있는 질문 한 가지 박테리아의 언어인 AI를 방해하거나 역으로 이용하는 시스템은 없을까? 박테리아의 AI가 오랜 진화동안 잘 보존되어 있다고 하는데 우리는 박테리아와 사람의 관계를 생각하지 않을 수 없다. 특히 박테리아가 사람에게 감염되었을 때 박테리아는 AI를 이용하여 의사소통을 할 텐데 사람에게는 박테리아 언어인 AI를 해킹하거나 이용하는 혹은 영향을 받는 시스템은 없을까? AI가 오랜 진화기간 동안 정교하게 발전되어 왔다면 우리의 몸도 오랜 기간 이런 박테리아의 언어를 자기들끼리 소통하여 일방적으로 우리의 몸에 해를 입히게끔 그냥 두지 않았을 것으로 예상된다. 더불어 알려진 AI이외에 박테리아가 분비하는 화학물질인 대사체가 알려진 AI와 유사한 혹은 또 다른 행동을 하지 않을까? 즉, 우리의 몸에는 박테리아의 언어인 AI를 교란 혹은 이용하는 수단이 있을 것이다.

과제 목표

박테리아의 AI와 의사소통 혹은 AI를 교란하는 숙주의 파트너 찾기 혹은 그 증거 찾기 가능하다면 추가적인 박테리아의 AI 증거 찾기

과제 내용

분자생물학적 방법을 이용하여 박테리아 AI에 대한 숙주의 잠재적 파트너 선별하기 박테리아의 AI에 대해 숙주는 어떤 행동/생화학/분자생물학적 양상을 보이는 규명하기

참고자료

  1. Nealson KH, Platt T, Hastings JW. Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system.J Bacteriol. 1970 Oct;104(1):313-22.
  2. Pan J1, Ren D. Quorum sensing inhibitors: a patent overview. Expert Opin Ther Pat. 2009 Nov;19(11):1581-601.
  3. Rutherford ST1, Bassler BL. Bacterial quorum sensing: its role in virulence and possibilities for its control. Cold Spring Harb Perspect Med. 2012 Nov 1;2(11).
  4. Schauder S1, Bassler BL. The languages of bacteria. Genes Dev. 2001 Jun 15;15(12):1468-80.

희망학생