박테리아 신호

개요

때때로 박테리아 무리는 하나의 군집처럼 행동합니다. 이를 위해 박테리아는 높은 세포밀도(cell density)를 감지하는 정족수 감지(quorum sensing)를 이용해 유전자 발현(gene expression)의 변화를 끌어냅니다. 정족수 감지는 세포 외 신호(extracellular signaling)와 세포 내 신호(intracellular signaling)를 모두 포함합니다. 신호의 연쇄반응(signaling cascade)은 자가유도물질(autoinducer, 줄여서 AI)이라는 분자에서 시작합니다. 각각의 박테리아는 박테리아 세포막에서 세포 외(extracellular) 공간으로 이동하는 자가유도물질을 생산합니다. 자가유도물질은 농도구배(concentration gradient)를 따라 수동적으로 세포 밖으로 이동하거나 능동적으로 세포막을 가로질러 수송될 수 있습니다.

자가유도물질의 세포 외 농도는 박테리아에 신호를 제공합니다

박테리아 개체군 내 세포 밀도가 낮으면 자가유도물질이 박테리아로부터 멀리 확산해 자가유도물질의 환경 내 농도가 낮아집니다. 박테리아가 번식하고 지속해서 자가유도물질을 배출하면서 자가유도물질의 농도가 높아져 결국 한계치 농도(threshold concentration)에 도달합니다. 이 한계치에 따라 자가유도물질이 박테리아의 세포막 수용체에 결합하여 박테리아 군집 전체에 유전자 발현 변화를 촉발합니다.

그람 염색 (Gram Staining)

많은 박테리아는 그람양성(gram positive) 또는 그람음성(gram negative)으로 광범위하게 분류됩니다. 이 용어들은 일련의 염색액으로 치료했을 때 박테리아가 취하는 색을 가리키며 이 방법은 한스 크리스티안 요아힘 그람(Hans Christian Joachim Gram)이 1세기 전에 개발했습니다. 박테리아가 보라색을 띠면 그람양성이고, 빨갛게 보이면 그람음성입니다. 이러한 염색 색깔은 박테리아 세포벽의 화학적 성질에 따라 달라집니다. 박테리아 세포벽의 다양한 구성은 박테리아가 서로 그리고 환경과 상호작용하는 방법을 결정하며 종종 질병을 일으키는 데 직접 관여합니다. 예를 들어 그람음성 박테리아의 세포벽은 주로 내독소(endotoxin)라고도 알려진 지질다당류(lipopolysaccharide)로 만들어지는데, 이것은 환자의 혈액에서 패혈성 쇼크를 일으킵니다.

그람양성 박테리아와 그람음성 박테리아의 정족수 감지

그람양성 박테리아에서는 정족수 감지가 대개 두 단계로 발생합니다. 첫째, 자가유도 펩타이드(autoinducing peptide, 줄여서 AIP)에 해당하는 자가유도물질은 외부 농도가 충분히 높으면 막 수용체에 결합합니다. 둘째, 이 결합은 전사 인자(transcription factor)를 인산화(phosphorylate)하는 2차 전달 인산화효소(second messenger kinase)로 알려진 내부 효소를 활성화합니다. 이에 따라 전사 인자는 여러 유전자의 발현을 조절합니다.

그람음성 박테리아의 경우 정족수 감지는 1단계로 이뤄집니다. 자가유도물질의 외부 농도가 한계치에 도달하면 자가유도물질이 (수송체를 통해) 막을 가로질러 세포로 다시 들어갑니다. 세포 안으로 들어가면 유전자 발현을 조절하기 위해 전사 인자와 직접 상호작용을 할 수 있습니다. 이러한 유형의 신호는 중간 또는 2차 전달자가 필요 없습니다. 자가유도물질 자체가 메신저입니다. 하지만 2차 전달자가 없어도 세포 내 신호는 복잡할 수 있습니다.

빛을 생성하는 박테리아의 신호

빛을 내는 박테리아의 예로는 그람음성 박테리아 Photorhabdus luminescens가 있습니다. 이 박테리아는 정족수 감지 신호 및 세포 내 신호로 자가유도물질2(autoinducer 2, 줄여서 AI-2)를 생성합니다. 박테리아가 AI-2를 환경에 방출하여 AI-2의 세포 외 농도가 한계치에 도달하면, AI-2는 박테리아 세포막의 ATP결합상자(ATP-binding cassette, 줄여서 ABC) 수용체와 결합, 이 수용체를 통해 다시 세포 내부로 들어갑니다. 그러고 나서 세포내 인산화효소(intracellular kinase)인 LsrK가 AI-2를 인산화합니다. 이런 방식으로 AI-2가 활성화되면 AI-2 자신이 전사 인자로 작용해 루시퍼레이즈(luciferase) 효소를 암호화하는 유전자를 활성화합니다. 루시퍼레이즈는 특정 반응을 촉매할 때 빛을 냅니다. 따라서 Photorhabdus luminescens 개체군이 임계 밀도(critical density)에 도달할 때만 발광현상을 볼 수 있습니다. 실제로 미국 남북전쟁 당시 샤일로 전투 직후 병사들의 상처에서 보인 푸르스름한 빛이 이 박테리아가 일으켰다는 주장이 제기되기도 했습니다.

정족수 신호와 이식된 의료기기의 박테리아 감염

의료용 임플란트 표면에 박테리아가 퍼지는 것은 정족수 신호(quorum signaling)에 의해 발생하고 생명을 위협하는 감염을 일으킬 수 있습니다. 세균성 바이오필름이 의료 환경에서 형성되는 것을 막기 위한 많은 연구가 진행 중입니다. 연구의 대부분은 박테리아 성장에 적합하지 않은 새로운 물질을 개발하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 한편 생물학적 화합물(일부 박테리아에 의해 생성된 물질을 포함)의 박테리아 억제 특성도 조사되고 연구되고 있습니다.