과학자들이 1000배 확대된 박테리아에서 놀라운 사실을 발견했습니다.

과학자들은 MERFISH 이미징 기술과 확장된 현미경을 결합하여 단일 세포 수준에서 박테리아를 연구하는 새로운 방법을 열었습니다. 이 새로운 성과는 박테리아가 환경에 반응하여 다양한 유형의 유전자를 어떻게 활성화하는지에 대한 심층적인 관찰을 가능하게 하여 박테리아 행동, 항생제 내성 및 감염 전략에 대한 통찰력을 제공합니다.

박테리아의 작동 방식

우리 몸에 유익한 박테리아든 질병을 유발하는 위험한 박테리아든, 박테리아는 어떻게 활동을 조정할까요? 최근 연구에서는 첨단 게놈 현미경과 획기적인 기술을 결합하여 박테리아가 다양한 조건과 환경에서 활성화하는 유전자를 추적함으로써 새로운 통찰력을 제공했습니다. 최근 Science 저널에 발표된 이 획기적인 발견은 박테리아 연구를 새로운 차원으로 끌어올릴 것으로 기대됩니다.

보스턴 소아병원(미국) 세포 및 분자 의학 프로그램(PCMM)의 제프리 모핏 박사와 동료들은 모핏이 개발에 참여한 분자 영상 기술인 MERFISH를 사용하여 수천 개의 개별 박테리아 샘플에서 메신저 RNA(mRNA)를 한 번에 분석했습니다. 이 방법은 유전자 발현을 대규모로 매핑할 뿐만 아니라 공간적 요인이 박테리아 유전자 활성화에 어떤 영향을 미치는지도 밝혀냅니다. 이는 이전에 한 번도 시도된 적이 없는 것입니다.

박테리아 이미징의 과제

그러나 연구팀은 먼저 큰 과제를 극복해야 했습니다. 박테리아 RNA, 즉 박테리아 전사체는 작은 세포 내부에 밀집되어 있어서 구별하고 이미지화하기 어렵다는 것입니다.

연구팀은 "팽창 현미경"이라는 실험실에서 개발한 기술을 빌려 표본을 특수 하이드로젤에 넣었습니다. 그들은 RNA를 젤에 고정시키고 그 안에 있는 화학적 완충 용액의 종류를 다양하게 변경했습니다. 이로 인해 겔이 확장되어 샘플 크기가 50~1000배 증가합니다. 이 시점에서 모든 박테리아 RNA는 개별적으로 소화될 수 있게 됩니다.

박테리아 유전자 발현은 무엇을 의미합니까?

지금까지 과학자들은 일반적으로 전체 박테리아 개체군의 평균을 내어 박테리아 행동을 측정해 왔습니다. 개별 박테리아가 사용하는 유전자를 식별하는 능력은 박테리아 상호작용, 독성, 스트레스 반응, 항생제 내성, 카테터와 같은 곳에서의 바이오필름 형성 등에 대한 강력하고 새로운 통찰력을 제공할 수 있습니다.

모핏은 "이제 우리는 숙주-미생물 및 미생물-미생물 상호작용에 대한 흥미로운 질문에 답할 수 있는 도구를 갖추게 됐습니다."라고 말했습니다. "박테리아가 어떻게 소통하고 공간적 위치를 두고 경쟁하는지 탐구하고, 박테리아 군집의 구조를 파악할 수 있습니다. 그리고 병원성 박테리아가 포유류 세포를 감염시킬 때 유전자 발현을 어떻게 조절하는지 알아낼 수 있습니다."

Bacterial-MERFISH는 페트리 접시에서 배양하기 어려운 박테리아에 대한 정보도 제공할 수 있습니다. 이제 과학자들은 식물을 키울 필요가 없고, 대신 자연 환경에서 식물을 사진으로 찍을 수 있습니다.

박테리아 생존 전략에 대한 단일 세포 수준의 통찰력

연구팀이 수행한 실험 중 일부는 Bacterial-MERFISH가 답할 수 있는 질문 유형을 보여주었습니다. 예를 들어, 모핏과 동료들은 포도당이 결핍된 개별 대장균 세포가 순차적으로 대체 식품 공급원을 이용하려 시도하고 특정 순서로 유전자 발현을 바꾼다는 것을 보여주었습니다. 시간이 지남에 따라 일련의 유전적 스냅샷을 찍음으로써 연구팀은 이러한 생존 전략을 조각해낼 수 있었습니다.

또한 연구팀은 박테리아가 세포 내에서 RNA를 어떻게 구성하는지에 대한 정보를 얻었는데, 이는 유전자 발현의 다양한 측면을 조절하는 데 중요할 수 있습니다. 이전에는 이런 변화에 대처하는 것이 매우 어려웠지만, 이제는 그 일이 훨씬 쉬워졌습니다.