박테리아는 뇌 같은 전기 파열을 사용하여 의사 소통합니다

박테리아는 현미경 슬라이드에서 분리 된 세포로 불행히도 부정확 한 공개 이미지를 가지고 있습니다. 그러나 과학자들이 박테리아에 대해 배울수록 도시, 법률 또는 연설을 언급하지 않고 인간의 행동을 이해하려고 노력하는 것과 같이,이 추론과 같은 명성이 심하게 오해의 소지가 있음을 더 많이 알 수 있습니다. 샌디에고 캘리포니아 대학의 생물 물리학자인 Gürol Süel은“사람들은 박테리아를… 스스로 사는 독방 유기체로 취급하고있었습니다. "실제로, 대부분의 박테리아는 본질적으로 매우 조밀 한 공동체에 존재하는 것으로 보입니다."

박테리아에 대한 선호되는 형태의 공동체는 바이오 필름 인 것 같습니다. 치아, 파이프, 암석 및 바다에있는 미생물은 수십억에 의해 함께 모여서 자체 주위에 끈적 끈적한 유기농 상부 구조를 만듭니다. 이 필름에서 박테리아는 노동을 나눌 수 있습니다. 외부 세포는 위협을 막을 수 있지만 내부 세포는 음식을 생산합니다. 그리고 서로 협력하여 성공한 인간처럼 박테리아는 지역 사회에서 번성합니다. 자유 스프리밍 세포가 쉽게 파괴하는 항생제는 종종 영화에서 쫓겨날 때 동일한 유형의 세포에 대해 쓸모없는 것으로 판명됩니다.

모든 커뮤니티에서와 마찬가지로 박테리아 동거는 메시지를 교환하는 방법이 필요합니다. 생물 학자들은 수십 년 동안 박테리아가 화학 신호를 사용하여 행동을 조정할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 프린스턴 대학교 (Princeton University)의 보니 베이 러 (Bonnie Bassler)와 다른 사람들이 밝혀진 가장 잘 알려진 예는 쿼럼 감지 (Quorum Sensing)로, 세포가 세포를 생물 필름을 형성하거나 다른 집단 행동을 시작할 때까지 박테리아가 신호 전달 분자를 압출하는 과정입니다.

그러나 Süel과 다른 과학자들은 이제 바이오 필름의 박테리아가 서로 전기적으로 대화 할 수 있음을 발견하고 있습니다. 바이오 필름은 전기적으로 하전 된 입자를 사용하여 대규모 확장에 걸쳐 활동을 구성하고 동기화하는 것으로 보입니다. 이 전기 교환은 바이오 필름이 주변 환경에서 새로운 박테리아를 모집하고 상호 복지를 위해 인접한 바이오 필름과 협상하기 위해 그것을 사용하기까지 강력하게 입증되었습니다.

프린스턴에서 쿼럼 감지를 연구하는 생물 물리학자인 네드 윙스린 (Ned Wingreen)은“이것이 지난 몇 년 동안 미생물학에서 가장 중요한 발전이라고 생각한다. "우리는 완전히 새로운 의사 소통 방식에 대해 배우고 있습니다."

Süel이 2012 년 샌디에고에 모집 한 젊은 교수로서 그들에게 초점을 맞추기 시작했을 때 바이오 필름은 이미 뜨거운 주제였습니다. 그러나 개별 박테리아가 자유를 포기하고 대규모의 고정 사회에 정착하는 방법을 포함하여 그들에 대한 많은 부분이 여전히 신비했습니다. 통찰력을 얻기 위해 Süel과 그의 동료들은 bacillus subtilis의 바이오 필름을 키웠습니다 , 일반적으로 연구되는 막대 모양의 박테리아이며, 정교한 현미경으로 몇 시간 동안 관찰했습니다. 타임 랩스 영화에서, 그들은 내부의 세포가 아미노산 글루타메이트의 가용 한 매장량을 소비 할 때까지 바이오 필름이 바깥쪽으로 확장되는 것을 보았습니다. 그런 다음 바이오 필름은 글루타메이트가 보충 될 때까지 확장을 중단합니다. Süel과 그의 동료들은 내부 박테리아가 어떻게 외부 세포에 나누고 언제 차갑게 해야하는지에 대해 궁금해졌습니다.

정족수 감지는 명백한 용의자였습니다. 그러나 물리학 훈련을받은 Süel은 화학 메신저의 확산보다 더 많은 것이 그의 Bacillus에서 일하고 있다고 의심했습니다. 식민지. 그는 이온 채널에 중점을 두었습니다. 세포의 외막에 뿌려지는 특수 분자와 페리 전기 하전 입자 안팎으로 초점을 맞췄습니다. 이온 채널은 아마도 신경 세포 또는 뉴런에서의 역할로 가장 유명 할 것입니다. 대부분의 경우, 뉴런은 단일 양전하를 가지고있는 나트륨 이온을 펌핑하고 단일 양전하로 다른 수의 칼륨 이온을 넣습니다. 그로 인한 전하 불균형은 댐 뒤에 물이 쌓이는 것처럼 작용합니다. 전기 임펄스가 뉴런의 막을 충격하면 특수 채널이 열리도록 농축 이온이 홍수로 홍수되어 댐의 수문이 열립니다. 이 교환은 뉴런을 따라 전파되어 뇌에 정보를 전달하는 전기적 "행동 전위"를 만듭니다.

Süel은 박테리아가 또한 막을 가로 질러 이온을 펌핑한다는 것을 알고 있었고, 최근 몇몇 논문들은 뇌에서 발견 된 것과 적어도 느슨하게 닮은 박테리아의 전기 활동의 스파이크를보고했다. 박테리아는 또한 전기 신호를 전달하기 위해 액션 수성 메커니즘을 사용하고있을 수 있습니까? 그는 궁금해했다.

그와 그의 동료들은 칼륨과 나트륨 이온에 의해 활성화되는 형광 마커로 실험실에서 바이오 필름을 치료했으며, 이온이 굶주린 세포에서 흘러 나올 때 칼륨 마커는 켜졌다. 이온이 근처 세포에 도달했을 때, 이들 세포는 또한 칼륨을 방출하여 신호를 상쾌하게했다. 신호는 바이오 필름의 가장자리에 도달 할 때까지 이런 식으로 바깥쪽으로 흘러갔습니다. 그리고 신호에 반응하여, 에지 세포는 내부 세포가 식사를 할 수있을 때까지 분할을 중단했고, 그 후에는 칼륨 방출을 중단했다.

Süel의 팀은 칼륨 채널이없는 돌연변이 박테리아를 만들었고, 세포가 동일한 정지 방식으로 자라지 않았다는 것을 발견했습니다. (연구자들은 또한 실험에서 표지 된 나트륨 이온의 움직임을 보지 못했습니다.) 뉴런과 마찬가지로 박테리아는 분명히 칼륨 이온을 사용하여 전기 신호를 전파한다고 Süel과 그의 동료들은 자연에서보고했습니다. 2015 년.

신경 활동과의 유사점에도 불구하고, Süel은 바이오 필름이 뇌와는 다르다는 것을 강조합니다. 칼륨 채널 외에 빠르게 활성화되는 나트륨 채널에 의존하는 신경 신호는 초당 100 미터 이상으로 집을 지울 수 있습니다. 이는 동물이 사냥과 같은 정교하고 빠른 모션 행동에 참여할 수있는 속도입니다. bacillus 의 칼륨 파 시간당 몇 밀리미터의 비교적 거북이 같은 속도로 퍼집니다. Süel은“기본적으로 우리는 이러한 바이오 필름에서 원시적 형태의 행동 전위를 관찰하고 있습니다. “수학적 관점에서 둘 다 정확히 동일합니다. 그거 훨씬 빠릅니다.”

박테리아 방송

그러나 Süel과 그의 동료들은 그 전기 신호에 대해 더 많은 질문을했습니다. 칼륨 구동 전기 활동의 파도가 바이오 필름의 가장자리에 도달하면 전기 활동이 중지 될 수 있지만 환경으로 방출되는 칼륨 이온의 구름이 계속 진행됩니다. 따라서 연구원들은 칼륨 파가 바이오 필름을 떠나면 어떤 일이 일어나는지보기로 결정했습니다.

첫 번째 답변은 올해 초 Cell 에서 나왔습니다. 종이는 bacillus 을 보여 주었다 박테리아는 칼륨 이온을 사용하여 지역 사회에 프리 스킬 셀을 모집하는 것으로 보입니다. 놀랍게도 박테리아는 다른 바실러스뿐만 아니라 을 끌어 들였습니다 , 또한 관련이없는 종. 박테리아는 단일 문화뿐만 아니라 다양한 지역 사회에서 살기 위해 진화했을 것 같습니다.

몇 달 후, Science , Süel의 팀은 칼륨 신호를 교환함으로써 2 개의 Bacillus 바이오 필름은 영양소를 "시간 공유"할 수 있습니다. 이 실험에서, 두 박테리아 공동체는 교대로 글루타메이트를 섭취하여 바이오 필름이 제한된 영양소를보다 효율적으로 소비 할 수있게했습니다. 이 공유의 결과로, 바이오 필름은 박테리아가 방해없이 가능한 한 많이 먹었을 때보다 더 빨리 자랐습니다. 연구원들은 약한 신호를주기 위해 수정 된 이온 채널과 함께 박테리아를 사용했을 때, 바이오 필름은 더 이상 먹이를 조정할 수없고 더 천천히 자랐습니다.

박테리아가 전기적으로 의사 소통하는 방법에 대한 Süel의 발견은 박테리아 연구자들을 짜증나게했습니다.

남부 캘리포니아 대학의 생물 물리학자인 Moh El-Naggar는“현재 모든 생물학에서 가장 흥미로운 작업 중 일부라고 생각합니다. El-Naggar는 박테리아가 특수 얇은 튜브를 사용하여 전자를 전달하는 방법을 연구하며, 이는 나노 와이어라고 부릅니다. 이 전달은 또한 전기 통신의 한 형태로 간주 될 수 있지만, 과거에는 누군가가 박테리아가 뉴런과 유사하게 행동한다고 ​​제안하면“브레이크를 씌울 것”이라고 말합니다. Süel의 2015 년 논문을 읽은 이후 그는 생각을 바꿨습니다. "우리 중 많은 사람들이 이것에서 나오는 것이 무엇인지 기다릴 수 없습니다."

미시간 주립 대학의 미생물학자인 Gemma Reguera의 경우, 최근의 계시는 그녀가 생물 학자 동료들에게 오랫동안 만들어 온 주장을 강화합니다. 빛, 소리 및 전기와 같은 물리적 신호는 화학 신호만큼 박테리아에 중요합니다. "[Süel의 발견]은 과학계 외부의 과학계와 [사람들]이 다른 형태의 물리적 의사 소통에 대해 더 개방적으로 느끼는 데 도움이 될 것입니다."라고 Reguera는 말했습니다.

연구자들의 흥분 중 일부는 박테리아 사이의 전기 신호 전달이 화학적으로 매개 된 쿼럼 감지보다 더 강력하다는 징후를 보여줍니다. 화학 신호는 특정 집단 행동을 조정하는 데 중요한 것으로 판명되었지만 신호를 방출하는 박테리아의 바로 근처를 넘어 서면 빠르게 희석되고 사라집니다. 대조적으로, Süel의 팀이 발견 한 바와 같이, 바이오 필름에서 방출 된 칼륨 신호는 전형적인 박테리아 세포의 너비의 1,000 배 이상의 일정한 강도로 이동할 수 있으며, 그 한계조차도 실험에 사용되는 미세 유체 장치에 의해 부과되는 인공 상부입니다. 쿼럼 감지와 칼륨 신호의 차이는 산 꼭대기에서 외치는 것과 국제 전화 통화의 차이와 같습니다.

또한, 화학 물질은 특정 수용체를 갖는 세포와의 통신 만 가능하다고 지적했다. 그러나 칼륨은 동물 뉴런, 식물 세포 및 과학자들이 점점 더 많이 발견하고있는 보편적 인 언어의 일부인 것으로 보인다. 박테리아.

보편적 화학 언어

텍사스 A &M 대학의 생물학자인 스티브 로스리스 (Steve Lockless)는 대학원에서 실험실 메이트 (Süel)의 실험실 메이트였던 스티브 로스리스 (Steve Lockless)는“내가 본 모든 단일 세포 유기체에서 개인적으로 [긍정적으로 충전 된 이온 채널]을 발견했다. 따라서 박테리아는 칼륨을 사용하여 Süel의 2015 년 논문에 대한 논평에서 추측 한 것처럼 아마도 인간을 포함한 다른 생명체와 대화 할 수 있습니다. 연구에 따르면 박테리아는 숙주의 식욕이나 기분에 영향을 줄 수 있다고합니다. 아마도 칼륨 채널은 아마도 킹덤 통신 채널을 제공하는 데 도움이됩니다.

미생물이 칼륨을 사용한다는 사실은 이것이 Süel 's Reaments를 지원하기 위해 이론적 모델링을 제공 한 바르셀로나의 폼페우 파브라 대학교 (Pompeu Fabra University)의 제도 생물학 교수 인 Jordi Garcia-Ojalvo에 따르면, 식물, 동물 및 기타 생명체를 구성하는 진핵 세포 이전에 개발 된 고대 적응임을 시사합니다. 그는 세포 간 통신 현상에 대해 박테리아 채널은“전체 행동의 진화 조상에게 좋은 후보가 될 수있다”고 말했다.

시카고 대학교의 박테리아 유전학자인 제임스 샤피로 (James Shapiro)는 이번 연구 결과가“매우 흥미로운 작품”이라고 말했다. Shapiro는 대담한 가설을 두려워하지 않습니다. 그는 박테리아 식민지가 인식의 한 형태 일 수 있다고 주장했다. 그러나 그는 신경과 박테리아 사이의 비유에주의를 기울여 접근합니다. Süel은 Süel이 지금까지 증명 한 칼륨-매개 행동은 정교한 회로 뇌의 유형이 진화 할 필요가 없을 정도로 간단하다고 Shapiro는 말했다. "정보 처리가 얼마나 많은지 정확히 알 수 없습니다."

Süel은 동의합니다. 그러나 그는 현재 바이오 필름의 정보 내용을 정량화하는 데 관심이 적습니다. 그는 이제 다양한 박테리아 종의 바이오 필름이 순수한 bacillus의 바이오 필름을 시간에 시간을 보내는 지 확인하려고 노력하고 있습니다. .