바이오인

핵심내용

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

  대부분의 척추동물 및 무척추동물은 숙주에 서식하는 공생균을 가지고 있으며 이들을 통해 숙주가 얻지 못하는 영양분을 얻거나 높은 효율의 번식과 숙주의 크기발달 그리고 숙주의 면역체계가 증진되는 사실이 보고 되어있다. 특히 곤충의 공생균은 obligate 균과 faculative 균으로 나뉘고 그들의 숙주에 어떠한 영향을 주는지는 많이 연구가 되어있다. 하지만 숙주와 공생균 사이의 분자적 메커니즘에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았는데 공생균의 배양에 어려움이 있기 때문이다.

  최근 AIST 연구진에 의해 톱다리 개미허리 노린재(R. pedestris)와 그 장에 서식하는 공생균 Burkholderia의 공생관계가 알려졌다. 이 공생균은 배양이 가능하여 유전학적 연구가 가능하다는 이점이 있다. 우리는 AIST팀과의 교력으로 본 실험실에서 공생균이 있는 곤충과 공생균이 없는 곤충을 다량으로 생산하고, 공생균들이 어떤 메커니즘으로 숙주와 상호작용을 하는지 유전자 조작을 이용하여 규명하려 하였다.

2. 연구내용

  톱다리 개미허리 노린재의 장에 서식하는 Burkholderia와 시험관에서 배양한 Burkholderia의 단백질 패턴을 전기영동 젤에서 분석한 결과 phasin이라는 단백질이 공생균에서 많이 발현되는 것을 발견하였다(그림 2A). phasin은 PHA과립막의 구조 단백질이기에 우리는 공생균의 PHA과립이 많이 생긴다는 것을 TEM 사진으로 관찰하였다(그림 2B). PHA는 자연계에 존재하는 미생물들이 거친 환경에 적응하기 위해 세포내에 합성하는 플라스틱 같은 물질이다.

  이 PHA의 공생적 의미를 알기위해 PHA 생합성에 관여하는 두 유전자, phaB와 phaC, 그리고 단백질 분석으로 발견한 phasin유전자인 phaP를 각각 제거한 3가지 돌연변이 Burkholderia를 만들었다.

  먼저 이 돌연변이들의 PHA 생성능력을 확인한 결과 phaB와 phaP 돌연변이가 wildtype Burkhodleria 보다 그 생성능력이 많이 떨어진다는 것을 확인할 수 있었고, 특히 phaC 돌연변이는 거의 생존하지 못한다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 돌연변이들을 곤충에 감염을 시켜 공생하는 장의 형태를 확인한 결과 phaB와 phaC로 감염된 곤충의 장이 phaP와 wildtype 장 모습에 비해 공생균이 덜 차있는 듯한 모습을 띄었다. 공생균의 수를 비교한 결과 phaB와 phaC의 수는 wildtype의 반에도 미치지 못하였다 (그림 3).

  이러한 공생균의 감소가 곤충에 미치는 영향을 보기 위해 곤충이 얼마나 빨리 성충으로 성장하는지, 성충이 되는 곤충은 그 크기와 무게가 어떤지 비교해 보았다. 공생균의 수적 감소를 보이는 phaB와 phaC로 감염된 곤충은 phaP나 wild-type에 비해 성장속도가 느렸고, 크기나 무게에서도 작았다.

  PHA가 공생균의 생존에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 여러 스트레스 조건들을 돌연변이에 주었다. 먼저 영양분이 없는 조건, 삼투압이 높은 조건, 열을 가한 조건에서 PHA 관련 유전자가 제거된 돌연변이들은 잘 생존하지 못한다는 것이 밝혀졌다.

  이로 인해 Burkholderia의 PHA 생산과 관련된 유전자는 공생균이 곤충의 장에 서식할 수 있도록 도와주며 숙주인 R. pedestris (노린재) 와의 적합한 공생을 도와주는 것을 확인하였다.
      
3. 기대효과

  본 연구에서 사용한 공생균의 유전자 조작법은 앞으로 많은 공생인자를 밝히는데 이용될 것이다. 이러한 유전학적으로 변형된 Burkholderia 공생균을  이용하여 콩과식물의 해충인 R. pedestris의 집단을 제어하는 기술로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 R. pedestris 와 Burkholderia 공생 모델을 이용하여 인간의 장내 공생균이 생체에 미치는 영향에 대한 이해가 증진될 것으로 기대된다.

용 어 설 명

1. 공생균(Symbiotic bacteria, symbiont)

 ○ 숙주에 해를 끼치는 세균과 달리 숙주에 이로운 영향을 주거나 아무런 영향을 주지 않고 같이 공생하며 사는 균

2. 톱다리 개미허리 노린재(Riptortus pedestris)

 ○ 노린재 목의 곤충으로 우리나라와 일본, 중국에서의 해충으로 알려져 있다

3. PHA(polyhydroxyalkanoate)

 ○ 박테리아가 당이나 지질로부터 만드는 선형의 폴리에스테르이며 탄소원의 저장소로 체내에 과립의 형태로 존재한다. 분해 가능한 바이오 플라스틱으로 생물공학자의 관심을 받고 있다.

4. 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Micros)

 ○ 전자선(electron beam)을 ultra-thin 샘플에 투과시켜 분석하는 현미경

5. 전기영동(gel electrophoresis)

 ○ 다공성 젤에 샘플을 담고 전류를 흐르게 함으로써 DNA, RNA, 단백질을 그 charge에 따라 분리하는 실험방법

그 림 설 명

그림 1. 톱다리 개미허리 노린재(A), 장 구조(B), 공생균이 살고 있는 M4 장(C), M4 장 안에 있는 Burkholderia의 TEM 사진(D)

그림 2. 장내 균과 실험관 배양 균의 단백질 비교(화살표, phasin)(A), TEM으로 장내 균과 실험관 배양 균의 PHA 과립 생성 비교(B)

그림 3. Burkhodleria가 감염된 곤충의 장(A-H), 곤충장내의 공생균의 수(I). 장의 내부 TEM 사진(J-M)