| 초록 |
미생물에 있어 스트레스는 균주의 성장을 저해하는 인자들로 정의되며, 이러한 인자에는 UV, 온도, radioactive irradiation 등과 같은 물리적 요인과, pH, salinity, osmotic pressure, chemical mutagen, 중금속 등과 같은 화학적 요인 및 starvation, 항생제, phage 등과 같은 환경적 요인이 있으며, phosphate accumulation, nucleotide depletion, NADPH의 축적 등으로 인한 세포내부의 대사산물의 불균형 등으로 인한 스트레스도 있다 (Lee SJ et al. mBio 2014). 미생물은 다양한 환경 조건에 적응하여 살아갈 수 있도록, 유전체에 programming이 되어 있는 two-component system, samll RNAs, alarmones 등과 같은 방법을 통하여 대사경로를 조절할 수 있기 때문에 스트레스를 유발하는 환경조건에서 항상성을 유지하며 살아갈 수 있다. 하지만 극심한 스트레스에 대처하기 위해서는 유전체 정보를 re-programming 해야 하며, 스트레스 조건에서 적응하여 살아가기 위하여 유전체 수준에서 돌연변이가 발생한다. 본 연구에서는 혐기호흡 조건에서 472개의 혐기호흡, 산화환원관련 유전자 결핍 균주의 시스템 생물학 수준의 분석을 통하여, 미생물의 환경 적응력을 탐색하고, 이 조건에서 생육에 영향을 받는 균주를 선별하였다 (Kim HJ et al. Metabolic Engineering 2013). 선별된 균주중의 하나인 adhE 결실 돌연변이 균주는 혐기조건에서 긴 지연기 (lag-phase)를 갖게 되는데, 이것은 혐기호흡계를 갖추지 못한 상황에서 그것을 대체할 수 있는 대사회로를 찾기 위한 유전체 수준에서 돌연변이를 통한 적응진화를 한다는 것을 밝혔다. 즉, 호흡계 선택압(혐기조건)을 유도하여 생육이 가능하게 된 유전체 수준의 변이를 갖는 적응진화 균주를 확보하여, 그것의 유전체 분석을 통하여 adhE 결실 돌연변이 균주는 pflB 혹은 pta 유전자의 돌연변이를 통하여 혐기조건에서 생육이 가능해짐을 확인할 수 있었다. 전사체를 분석하여 호흡 스트레스 하에 작동하는 미생물의 대사회로 및 진화적 적응이 가능하게 한 대체회로를 찾을 수 있었다. 또한, 혐기호흡조건에서 생긴 돌연변이의 유형을 분석하면서 단기적으로 선택압에 의한 미생물의 돌연변이 유발 기작이 장기적인 진화과정에서 보인 유전자 돌연변이의 기작과 유사함을 규명하였으며, 적응진화 균주의 생화학적 특성연구를 통하여 혐기 호흡 스트레스는 NAD+/NADH의 세포내 불균형에 의해 발생을 하며, 이를 극복하기 위한 생화학적 대사회로를 구동하기 위한 방향으로 진화가 진행된다는 사실을 규명하였다 (Kim HJ et al. Frontiers in Microbiology 2014). 본 과제를 통하여 기존의 장기실험진화 방법과는 차별화된 단기적응진화 및 돌연변이 분석방법을 확립하였고, 혐기호흡스트레스 유발, 적응진화 균주 선별 및 돌연변이 분석을 통하여 혐기적 적응진화를 통하여 미생물이 스트레스를 이겨내고, 대체에너지 대사회로를 획득하는 기작을 규명하였다. 또한, 본 연구에서 수행한 에너지대사회로 별 필수 유전자 동정 및 적응진화의 기작 연구는 대사 및 세포성장 최적화 기술을 통하여 산업 미생물 균주 개발에도 활용할 수 있으며, 미생물을 모델로 한 유전체 진화 경로에 대한 본질적인 이해와 유전체 동역학 (genome dynamics) 연구에 활용되어 기초과학, 산업바이오 및 의학바이오 측면에 큰 파급효과를 가질 것이다. |
