출발 선에서 대량으로 러너의 군중은 모두 동일하게 보였습니다. 그러나 이것은 표준 5K가 아닙니다. 대신, 연구자들은 경쟁자들이 미로를 통해 상처를 입으면서 모든 교차로에서 올바른 방향을 선택함에 따라 속도와 항해 능력을 모두 테스트하고 싶었습니다. 코스가 끝날 무렵, 박사후의 Mehdi Salek과 Francesco Carrara는 각 피니셔를 식별하기 위해 기다리고있을 것입니다. 그러나 박사후 소식은 경주자가 인간이 아니기 때문에 우승자에게 메달이나 기념 티셔츠가 없을 것입니다. 그들은 대장균이었다 박테리아.
최근에 개별 승자가있을 수 있다는 것은 최근 몇 년 동안 미생물학의 기초를 흔들어 놓은 개념입니다. 스위스 연방 기술 연구소 취리히 (ETH 취리히)의 로마 스톡 커 (Roman Stocker) 실험실에서 일하면서 미생물 학자 및 엔지니어 팀 이이 독특한 지구력 행사를 발명했습니다. Stocker의 미생물 마라톤의 출발 선에서의 세포는 유 전적으로 동일했으며, 수십 년간의 생물학적 교리에 따르면 모든 세포가 동일한 환경 조건을 경험하는 한 결과 생리학 및 행동이 다소 동일해야한다는 것을 암시합니다. DNA 수준에서, 모든 e. coli 셀은 코스를 통해 수영하고 조향하는 인코딩 능력이 거의 없었습니다. 동시에 레이스를 시작한 세포의 팩은 이론적으로 동시에 모두 마무리됩니다.
그러나 그것은 Salek와 Carrara가 찾은 것이 아닙니다. 대신, 일부 박테리아는 미로를 통해 다른 것보다 실질적으로 더 빨리 경쟁했으며, 화학 주성이라고 불리는 과정 인 더 높은 농도의 음식으로 이동하기위한 다양한 적성 때문에 주로. Salek와 Carrara가 처음에 구별 할 수없는 세포의 질량으로 보이는 것은 실제로 독특한 개인의 대기업이었습니다.
Carrara는“박테리아는 유 전적으로 동일하지만 표현형 적으로 다를 수 있습니다.
이 박테리아 개성은 기술적으로 표현형 이질성으로 알려진이 세균성 개성은 미생물에 대한 수십 년의 전통적인 사고를 강화합니다. 예를 들어 과학자들은 항생제가 동일한 클론의 식민지에서 모든 마지막 미생물을 항상 죽인 것은 아니라는 것을 알고 있었지만, 이러한 차이의 원인과 그로 인한 영향은 미스터리에 남아있었습니다. 이제 현미경 및 미세 유체의 발전 (박테리아 미로를 구축하는 데 사용되는 기술 스타커의 실험실)이 중요한 진화 과정에서 베일을 들어 올리기 시작했습니다.
Yale School of Medicine의 미생물학자인 Hesper Rego는“이것은 비교적 간과 된 현상이었습니다. "미생물 인구가 이질성을 발전시키고 유전학을 사용하여 통제 할 수 있다는 생각은 정말 강력한 개념입니다."
인구에서 개인으로
1870 년대 Robert Koch와 Louis Pasteur 시대 이래로, 미생물 학자들은 일반적으로 개인보다는 박테리아 그룹을 연구 해 왔습니다. 이것의 대부분은 필요하지 않았습니다.이 기술은 과학자들이 현미경을 통해 동료보다 단일 세포로 훨씬 더 많은 일을 할 수 있도록 존재하지 않았습니다. 게다가 박테리아가 모두 동일하다면 모든 세포를 연구 할 필요가없는 것 같습니다. 영양소가 풍부한 젤리 한 접시에 증착 된 개별 세포는 세포의 가시적 식민지, 원래 세포의 모든 클론을 형성 할 때까지 분열하고 나눕니다. 이 식민지의 모든 박테리아는 동일한 환경에 배치 될 때 동일한 행동, 생리학 및 신체적 외관 (동일한 표현형)을 보여줄 것으로 예상 될 수 있습니다. 전반적으로 그들은했다.
그러나 1940 년대 항생제의 발전은 호기심 많은 변칙을 보여 주었다. 많은 경우에, 항생제는 항생제의 살해력에 완전히 취약한 세포 그룹에서도 모든 박테리아를 전멸시키지 않았다. 살아남은 세포는“지속적”으로 간주되었습니다. 그들은 방금 쫓아 내고 페니실린 또는 이와 유사한 약물의 화학적 사격을 기다렸다. 처음에 과학자들은 페르 시즈가 항생제 치료 전에도 더 느리게 성장하는 유 전적으로 독특한 소집단에서 나올 수 있다고 생각했습니다. 그러나 미생물학자가 어떤 세포가 어떤 세포가 페르사가 될 것인지 예측할 수있는 유전자를 찾았을 때 실망했습니다.
벨기에의 브뤼셀 프리 대학교 미생물학자인 로렌스 반 멜더렌 (Laurence Van Melderen)은“그러한 [뚜렷한 지속적인] 소집단은 없었습니다. "모든 인구에서 당신은 당신이 그들을 찾으면 몇 가지 페르사를 찾을 수 있습니다." 과학자들에게 이것은 큰 퀴즈를 제기했습니다. 어떻게 동일한 박테리아가 어떻게 근본적으로 다른 행동을 가질 수 있습니까?
1970 년대 후반, 연구원들은 한 가지 가능한 대답을 확인했습니다. 버클리 캘리포니아 대학교의 과학자들은 임의의 기회만으로도 유 전적으로 동일한 세포에서도 다른 행동으로 이어질 수 있음을 보여주었습니다. 채찍 같은 편모가있는 박테리아는 직선으로 수영 할 수 있습니다 ( "런닝"이라고 함) 또는 무작위 방향으로 러브 할 수 있습니다. 수영 세포는 많은 시간을 소비하고 환경을 적극적으로 샘플링합니다. 그러나 더 높은 농도의 영양소로 이동하고 독소와 포식자로부터 멀어지기 위해 박테리아는 직접 실행을 사용해야합니다. 더 이상 그라디언트를 감지 할 수 없으면 텀블링으로 돌아갑니다.
e. coli 각 세포는 수영을 멈추고 아스파 테이트 및 L- 세린을 포함하여 다양한 농도의 다양한 화학 유인 제로 넘어지기 시작했다는 것을 발견했습니다. 실험 중 임의의 통계적 변화와 자발적 돌연변이의 영향을 미치는 영향을 고려한 후에도, 연구자들은 달리기 및 텀블링에서 세포의 현저하고 지속적인 개인 차이를 설명 할 수 없었습니다. Yale의 생물 물리학자인 Thierry Emonet에 따르면 그 미스터리는“큰 일”이었다.
.이 연구는 단일 유전자가 단일 단백질을 만들었다는 생각의 전성기에 나타 났으며, 이는 모든 세포가 동일한 환경에있을 때 일관된 행동을 이끌어 낼 것입니다. 박테리아의 배치에 대한 한 세기의 실험 후, 과학자들은 "동일"특성의 약간의 집단 편차에 익숙했지만, 그들의 데이터는 여전히 평균 주위를 단단히 클러스터하는 경향이있었습니다. 반대로 버클리 과학자들은 유인 자에 대한 민감성이 단일 평균이 아니라 넓은 농도에 대해 번지 않았다는 것을 발견했습니다. 그들의 논문은 개별 박테리아 사이의 수영 행동에서 실질적인 세포 간 변화를 보여줌으로써 일반적인 가정에 도전했다. 항생제에 대한 박테리아 반응의 기발한 표현형 이질성이 더 이상 어깨를 으 rug 할 수 없습니다.
연구자들은 이러한 개성이 각 세포가 얼마나 엄격하게 조절되는지와 L- 세린에 대한 반응으로 인해 발생한다는 것을 알고 있었지만, 특정 세포에서 이러한 변화를 정량화하는 것이 더 어려웠다. 2002 년, 빛나는 e. coli 그 모든 것을 변경했습니다.
현재 캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 생물 물리학자인 마이클 엘로 위츠 (Michael Elowitz)는 두 개의 형광 유전자 (하나의 노란색, 하나의 시안)를 대장균의 표본에 삽입했습니다. . 형광성 유전자는 정확히 동일한 기계의 제어하에 있었기 때문에 탁월한 지혜는 박테리아가 균일 한 녹색, 노란색과 파란색의 일정한 혼합물을 빛날 것이라는 지혜 로웠습니다.
.그러나 그들은하지 않았습니다. Elowitz와 그의 동료들은 노란색 및 시안 형광의 비율이 세포마다 다양하여 유전자 발현이 동일한 환경에서 세포마다 변한다는 것을 발견했습니다. 이 팀은 2002 년 과학에서 정확하게 변화를 묘사했습니다 종이. 반 멜더렌 (Van Melderen) 은이 작품은 표현형 이질성 연구에서 르네상스를 촉발 시켰다고 말했다.
다양성 선택
현미경 및 미세 유체의 발전으로 연구원들은 Elowitz의 2002 년 발견을 빠르게 구축 할 수있었습니다. 화학 주성, 화학 구배를 따른 내비게이션과 미생물 응력 반응의 두 가지 특정 세포 행동이 실험에서 눈에 띄게 나타났습니다. Idaho University의 Chris Marx 실험실에서 박테리아 개성을 연구 한 Global Viral의 미생물학 연구원 인 Jessica Lee에 따르면, 실험실에서 쉽게 측정되는이 두 반응은 세포가 변화하는 환경에 반응 할 수 있기 때문입니다.
.화학 주성을 가져 가십시오. 박테리아가 좋아하는 것을 향해 움직이면 수영을 더 많이하고 덜 넘어집니다. 그러나 버클리 과학자들이 40 년 전에 발견 한 바와 같이, 그들이이 스위치를 만드는 시점은 개인마다 다릅니다. 후속 실험은 Chey라고 불리는 것과 같은 화학 주성 단백질 패밀리의 존재를 밝혀냈다; 이 단백질 박테리아의 사본이 많을수록 수영 대신에 소주 될 가능성이 높습니다. 단백질 생산에 영향을 미치는 환경 압력이 없어도 일부 박테리아는 언제든지 Chey와 같은 분자를 무작위로 가질 수 있습니다. Lee, Emonet 및 기타 연구자들은이 타고난 변동성이 박테리아 집단이 피할 수없는 환경 변화를 다루기위한 최적의 화학 주성 단백질에 대한 베팅을 헤지 할 수 있다고 가정합니다.
Lee는 식물 거주 박테리아 에서이 베팅 헤징 행동을 공부하는 데 몇 년을 보냈습니다. . 식물은 광합성의 부산물로 산소를 방출하지만 일부 식물은 또한 메탄올 (목재 알코올)을 방출합니다. 이름에서 알 수 있듯이 m. extorquens 이 메탄올을 음식으로 사용할 수는 있지만 첫 번째 단계는 화학 물질을 포름 알데히드로 변형시키는 것입니다. 이는 박테리아에 독성이 있기 때문에 방부제로 작용하는 매운 화학 물질입니다. m. extorquens 박테리아는 포름 알데히드를 가능한 빨리 덜 독성 대사 산물로 분해하여 스스로를 보호합니다. 이것이 바로 박테리아가 본질적으로“스스로 피클을받지 않을 수있는 방법”입니다.
메탄올이 항상 이용 가능하지는 않으며 포름 알데히드를 철저히 분해하기위한 대사 기계는 생산하는 데 많은 에너지가 필요하기 때문입니다. extorquens 알코올이 실제로 존재할 때까지 대부분 필요한 효소를 만드는 것을 귀찮게하지 않습니다. 그러나 박테리아는 딜레마에 직면합니다. 그들이 메탄올을 분해하기 시작하면 필수 효소는 아직 최대 용량으로 생성되지 않으므로 포름 알데히드의 급등 된 축적은 세포를 죽일 수 있습니다. 포름 알데히드 농도 관리는 수명 또는 사망입니다.
그러나 Lee와 Marx가 발견 한 것은 개별 세포가 포름 알데히드 농도에 대해 다른 감도를 가졌다는 것입니다. 올해 초 Preprint Server Biorxiv.org에 게시 된 논문에 설명 된 과학자들에 따르면, 일부 박테리아는 모든 세포가 유전자 클론이지만 대부분의 동포들을 죽인 포름 알데히드 농도에 직면하여 계속 자랐습니다.
.Lee는“우리가 설명 할 수있는 유일한 방법은 아마도 우리가 완전히 동일하다고 생각한 박테리아가 실제로 동일한 방식으로 행동하지 않았다는 것입니다. 이 포름 알데히드 내유 한 소집단의 생리학에서 어떤 과학자들은 여전히 무엇을 모른다--치명적인 화학 물질이있을 때 생존하고 번성 할 수있게한다. Lee는 베팅 헤지 전략의 완벽한 예라고 말합니다.
그러나이 이질성은 박테리아 공동체의 일부 구성원의 생존 가능성을 향상시키는 것 이상의 의미를 가질 수 있습니다. 과학자들은 또한 박테리아 개성이 다세포 유기체의 진화에 기여할 수 있다는 힌트를 발견했습니다.
예를 들어, 에든버러 대학교의 생물 물리학자인 Teun Vissers의 실험은 그 사실을 밝혀냈다. coli 클론은 표면에 달라 붙는 능력이 다양합니다. 이러한 차이에 대한 베팅 헤지 설명은 다른 세포가 다른 세포가 씻겨 질 때 살아남을 수 있기 때문에 박테리아 공동체가 전체 이점으로 이익을 얻는다는 것입니다.
그러나 ETH 취리히의 미생물 생태 학자 Martin Ackermann은 추가 가설을 강조합니다. 다른 유기체는 동일한 세포의 그룹이 다각화되면 일부 작업을 나누고 특정 과정을 전문화하기 시작할 수 있음을 보여주었습니다.
“소집단 간의 일부 상호 작용을 통해 혜택이 나타납니다. Ackermann은 노동의 분열이 훨씬 더 정확한 용어라고 생각합니다. 진화론 적 이론가들은 종종 단일 세포 유기체 컬렉션들 사이에서 노동 분업과 그에 따른 과제의 전문화를 다세포의 출현을 이끌어내는 주요 요인으로 인용한다.
.중요한 질문은 :이 박테리아가 유전학이 아닌 경우 뚜렷한 개인으로 만드는 것은 무엇입니까? 이 변형의 원천은 무엇입니까? 연구원들은 여전히 답을 찾고 있지만,이 개성은 단순히 시스템의 소음의 결과가 아니라는 것은 분명합니다. 임의의 요인은 그것에 맞출 수 있지만, 특정 메커니즘은 어떻게 든 박테리아 집단의 세포 간 차이에 깊은 인상을주는 것처럼 보입니다.
결핵 박테리아에 대한 Rego의 연구 mycobacterium tuberculosis 관련 종은 유사 분열 세포 분열 동안 어떻게 약간의 차이가 발생할 수 있는지 보여 주었다. 박테리아가 분열되면 두 개의 동일한 딸 세포를 생산하지 않습니다. 대신에, 세포가 자라면서 구분을 삭제하는 동안 세포가 자라면서 추가 세포 물질을 합성해야한다. 이 재료는 원래 세포의 한쪽에 집중되는 경향이 있기 때문에 한 딸 세포는 다른 딸보다 새로운 부분을 상속합니다. 이 일방성은 특히 m과 같은 박테리아에서 두드러집니다. 결핵 . Rego는이 비대칭의 거의 모든 비대칭을 담당하는 유전자를 찾을 수 있었고, 두 딸 세포를 더 고르게 만들기 위해 그것을 조작했을 때, 그녀는 박테리아의 반응에서 거의 모든 이질성을 제거했습니다. 이 결과는 박테리아의 개성이 적응 적 이점임을 시사합니다.
박테리아 개성의 기원과 기능을 이해하는 이러한 최근의 발전은 여전히 그러한 비전기의 이점이 수십억 년에 걸쳐 유지 될 수 있다는 역설을 완전히 설명하지 않습니다. 과학자들은이 이질성의 유지에 대한 비밀은 특성 자체가 아니라 이러한 특성이 세포 수준에서 어떻게 조절되는지에있다. 너무 적거나 너무 많은 활동은 특정 사망을 의미하기 때문에 생명에 필수적인 많은 유전자가 엄격하게 제어됩니다. 자연 선택은 다른 특성의 조절에 무관심 할 수 있으며, 더 높은 변동성을 갖는 집단의 생존을 더 많이 허용 할 수도있다. 표현형 이질성은이 두 번째 범주에 속하는 것 같습니다. 일부 유기체가 더 천천히 자라는 것을 갖는 것은 생물학적 막 다른 골목 인 것처럼 보일 수 있지만,이 같은 세포가 항생제 폭풍을 극복 할 수 있다면 성장률의 더 넓은 변화에 대한 내성은 좋은 일이 될 수 있습니다. “생물학에서는 단일 세포가 무언가를하지 않습니다. 당신은 세포 그룹이 있습니다.”라고 Emonet은 말했습니다. "다양성은 그룹의 평균 성능에 영향을 미칩니다."
취리히, Salek 및 Carrara의 미생물 경마장에서, 이러한 장점은 결승선을 가로 질러 경주하는 박테리아와 출발 게이트에서 거의 나오지 않는 박테리아에서 볼 수 있습니다. 수십억 개의 동일한 클론이 아닌 박테리아는 모두 동일한 DNA를 공유하더라도 현저한 차이를 나타낼 수 있습니다. 그리고 과학자들이 가장 동일한 인구에 내재 된 다양성을 이해하게 된 것은 시간이 지남에 따라이 미세한 드라마가 전개되는 것을 보는 것입니다.
Van Melderen은“미생물에 대한 우리의 견해가 바뀌 었습니다. “박테리아와 다른 미생물은 아마도 우리가 생각했던 것만 큼 단순하지 않을 것입니다. 이 표현형 이질성은 모든 과정에 복잡성을 더합니다.”
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