Microfluidics를 사용하여 세균 Chemotaxis의 연구 - 인터뷰

제 이름은 Roman Stocker입니다. 저는 MIT 토목 및 환경공학과의 일부인 Ralph Parsons Laboratory의 2년 차 조교수입니다. 저는 이탈리아 출신이며 유체 역학을 전공했습니다.

따라서 저의 전공 배경은 물리 과학 쪽에 더 가깝지만, 지난 2년, 정확히는 3년 동안 환경 및 생물학적 주제로 연구 범위를 넓혀왔습니다. 2년 전부터 미생물 생태학의 문제들을 살펴보기 위해 미세유체 기술을 개발하기 시작했으며, 이러한 미세 장치들을 사용하여 마이크론 규모의 대상에 대한 전형적인 생태학적 질문들을 연구할 수 있게 되었습니다. 저희의 연구는 주로 해양을 헤엄쳐 다니며 먹이원을 추적하는 조류 생물체들에 중점을 두고 있습니다.

특히 박테리아는 헤엄치기 위한 매우 영리한 방법들을 발달시켰으며, 여기에서 간단한 시연을 보여드리겠습니다. 박테리아의 머리 부분은 거의 타원체 모양입니다. 이것의 크기가 약 2 microns 정도라고 생각하시면 됩니다.

박테리아의 뒤쪽에는 하나 이상의 편모가 있습니다. 이 편모들은 나선형 구조로 되어 있으며, 박테리아가 이를 회전시킬 수 있습니다. 이러한 회전은 추진력을 생성하여 박테리아가 실제로 앞으로 헤엄쳐 나갈 수 있게 합니다.

박테리아가 실제로 이를 수행하는 방식에는 여러 가지 모드가 있으며, 수영하는 전략 또한 다양하며 이는 저희 연구의 주요 관심 분야 중 하나입니다. 박테리아가 바다에서 수영하는 이유는 영양원(nutrient sources)을 더 효율적으로 이용하기 위해서이며, 이는 지난 15~20년 동안 일어난 패러다임의 변화 중 일부입니다. 이전에는 사람들이 바다를 수 미터에서 수십 미터 규모로 볼 때 영양분이 균일하게 섞인 수프로 생각했으며, 그러한 관점에서 박테리아와 같은 소규모 생물들은 실질적인 역할을 하지 못하고 그저 해류에 의해 수동적으로 이동한다고 생각했습니다.

하지만 10년 또는 15년 전, 사람들은 그것이 해양에서 실제로 일어나는 현상이 아니며, 사실 이러한 소형 생물들이 해양 건강과 더 나아가 전 지구적 기후와 같은 요소들을 결정하는 데 있어 가장 중요한 역할을 하는 존재들이라는 점을 깨달았습니다. 여기에는 두 가지 이유가 있습니다. 첫 번째 이유는 이들이 해양 어디에나 존재하며, 이들의 누적 생물량(biomass)이 다른 모든 해양 생물의 생물량을 훨씬 초과하기 때문입니다.

두 번째이자 아마도 가장 근본적인 이유는, 이러한 소형 생물들이 영양원, 특히 탄소를 이용함으로써 먹이망의 다른 구성 요소들을 위해 영양분을 재활용할 수 있으며, 결과적으로 해양 먹이사슬의 다른 측면과 부분들을 상당히 강화할 수 있기 때문입니다. 이러한 과정에서 본 연구는 주로 유영 생물과 영양 패치 간의 상호작용에 초점을 맞춥니다. 박테리아는 유영할 수 있을 뿐만 아니라 영양분의 농도 구배를 감지하고 탐지할 수도 있습니다.

즉, 이들은 생존 환경이 개선되는 시점을 감지하여 영양분 농도 구배를 따라 상향 이동할 수 있습니다. 이러한 과정은 화학택성(chemotaxis)으로 알려져 있습니다. 화학택성이란 화학적 농도 구배를 감지하고 이를 향해 헤엄쳐 이동하는 능력입니다.

이것이 바로 저희 실험실에서 연구하는 핵심 내용이며, 미세유체 기술은 박테리아의 화학주성 및 유영 능력을 탐색하여 해양 건강 결정에 있어 박테리아가 얼마나 중요한 역할을 하는지 외삽하고 그 규모를 추정할 수 있게 해주는 도구입니다. 지난 1년 반 동안, 저희는 박테리아를 해양에서 일반적으로 발견되는 다양한 조건에 노출시킬 수 있는 미세 장치들을 구축했습니다. 앞서 언급했듯이, 일반적인 영양분 패치뿐만 아니라 예를 들어 난류와 같은 조건들이 이에 해당합니다.

지금까지 우리가 발견한 것은 해양 박테리아가 이러한 영양분 패치를 활용하는 데 매우 효율적으로 적응했으며, 해양의 매우 다양한 난류 조건에 수영으로 대응할 수 있다는 점입니다. 이러한 능력 덕분에 그들은 박테리아의 관점에서 볼 때 전형적으로 영양분의 사막과 같으며, 3차원 수층 내에서 영양분이 매우 드물고 흩어진 패치 형태로만 존재하는 바다에서 살아남기에 매우 적합합니다. 동시에 이들은 수영을 통해 난류에 맞서 싸움으로써, 주변의 물이 격렬하게 움직이는 상황에서도 여전히 영양분 먹이를 추적할 수 있습니다. 지구 시스템 이니셔티브(Earth system initiative)는 매우 흥미로운 계획이며, 우리 행성이 실제로 어떻게 작동하는지 더 잘 이해하는 데 관심이 있는 다양한 분야의 사람들을 하나로 모으는 프로젝트입니다. 요약하자면, 지구 시스템 이니셔티브의 목표는 우리가 이미 오래전부터 해온 것과 마찬가지로 지구 전체를 대상으로 동일한 작업을 수행하려는 것입니다.

인체가 자신의 건강을 이해하는 것과 마찬가지로, 오늘날 지구의 건강을 이해하는 것은 지구 온난화나 온실 가스와 같은 문제들로 인해 특히 중요하며, 지구 시스템 이니셔티브(earth system initiative) 내의 여러 노력 또한 지구의 건강을 더 잘 이해하는 데 집중되어 있습니다. 저희의 연구는 해양 탄소 순환의 한 구성 요소를 살펴봄으로써 이러한 흐름에 부합합니다. 저희는 특히 앞서 언급한 바와 같이, 유영 박테리아와 같은 소형 생물들이 어떻게 이러한 대규모 순환에 영향을 미칠 수 있는지 이해하고자 하며, 이는 해양 내 글로벌 탄소 순환과 나아가 대기를 포함한 전 지구적 탄소 순환에 영향을 미칩니다.

이 분야에서 지금까지 수행한 모든 연구는 하나의 핵심적인 기술적 진보, 즉 미세유체역학(microfluidics) 덕분에 가능했으며 실제로 이를 통해 촉발되었습니다. 지난 10년 동안 미세유체역학은 특히 보스턴-캠브리지 지역을 중심으로 매우 흥미롭고 혁신적인 도구로 발전해 왔습니다. 현재 형태의 미세유체역학 기술을 창시한 분은 하버드 대학교의 George Whitesides 교수로, 그는 소프트 리소그래피 공정과 마이크로 소자 제작을 위한 PDMS 사용법을 도입했습니다.

그 이후로 미세유체역학의 응용 분야는 광범위한 영역에서 기하급수적으로 성장했습니다. 화학 공학에서 보건 과학에 이르기까지, 우리는 이를 미생물 생태학에 적용하고 해양 내 미생물의 유영과 관련된 소규모 문제들을 해결하는 데 활용하기 시작했습니다. 간단히 말해, 이러한 과정들은 그 규모가 매우 작고 해양이 필연적으로 가지는 가변성 때문에 해양 현장에서 직접 연구하는 것이 어렵거나 거의 불가능합니다. 우리는 크기가 약 1µm인 박테리아를 해양 내 현장에서 직접 시각화할 수 있는 능력이 아직 없으며, 동시에 이러한 과정을 수치적 또는 이론적으로 모델링하려는 시도가 있었으나, 이는 생물학 분야이기에 필연적으로 가설에 의존할 수밖에 없습니다.

예를 들어, 박테리아의 수영 전략이나 화학성 주성 전략에 대해 가정을 세워야 하며, 따라서 이 분야의 발전을 위해서는 실제 실험이 필요합니다. 미세유체 기술을 이용하면 해양의 작은 구역이나 일부를 실험실로 가져올 수 있으며, 동시에 영양분과 유동 측면 모두에서 현실적인 환경 조건에 박테리아와 미생물을 노출시킬 수 있습니다. 이와 동시에 비디오 현미경과 세포 추적 기술을 사용하여 개별 박테리아의 행동을 매우 정밀하게 제어된 방식으로 연구할 수 있으며, 이는 약 10년 전에는 불가능했을 방식으로 이러한 문제들을 해결할 수 있게 해줍니다. 이 모든 것은 기술적 진보, 특히 미세유체 기술 덕분입니다.

이 분야에서 우리가 직면하게 될 주요 과제는 두 가지라고 생각합니다. 앞서 언급했듯이, 첫 번째 과제는 어느 시점에 이러한 연구 질문들을 실제 해양 환경으로 가져가는 것입니다. 결국 해양으로 나가야 하는 이유는 이러한 과정에 내재된 모든 변동성을 포착하기 위해서입니다.

예를 들어, 침강하는 입자에서 실제로 무엇이 유출되는지, 어떤 종류의 영양분이 존재하는지, 그리고 실험실에서 박테리아가 어떤 종류의 화학 화합물을 향해 화학 주성을 보이는지에 대해 우리는 여전히 전혀 알지 못합니다. 우리는 이러한 조건 중 가장 단순한 것들만을 연구할 수 있을 뿐이지만, 실제로 해양에서 일어나는 일은 복잡하고 매우 가변적인 과정들의 집합이며, 우리는 궁극적으로 이를 situ에서 직접 탐구해야 합니다. 이는 샘플링의 관점, 이미징의 관점, 그리고 앞서 여러 번 언급했듯이 수 µm 정도의 규모와 pL 정도의 부피 내에서 화학적 및 생물학적 분석을 수행하는 관점에서 매우 큰 과제입니다.

제가 생각하기에 더 쉽게 해결할 수 있는 두 번째 과제는 행동을 3차원으로 시각화하는 것입니다. 현재 실험실에서 수행하는 모든 과정은 2차원적입니다. 미생물의 궤적과 축적을 시각화하기 위해 일반적인 현미경을 사용하고 있지만, 향후 3년에서 5년 내에 이러한 대상을 3차원으로 추적할 수 있게 해주는 디지털 홀로그래피(digital holography)라는 기술에 큰 기대를 걸고 있습니다. 이를 통해 더 충실하고 현실적으로, 향후 5년 내에 생태계를 포착할 수 있을 것입니다.

샘플링을 3차원으로 확장하고, 나아가 해양 샘플링을 향한 첫 번째 기초적인 시도를 하는 것 외에도, 우리는 이러한 연구들을 이들 유기체의 유전체학을 이해하려는 현재의 노력과 반드시 연계하고자 합니다. 특히 지구 시스템 이니셔티브(earth system initiative)의 일환으로 현장에 서식하는 이러한 박테리아의 유전적 구성과 유전적 변동성을 이해하려는 강력한 추진력이 있습니다. 동시에 유전체학은 발견된 내용을 유기체의 행동과 직접 연결하는 능력이 부족하며, 이것이 바로 미세유체 기술과 이러한 보다 행동 중심적인 고전적 생태학 연구가 제공할 수 있기를 기대하는 부분입니다.

우리는 해양 박테리아의 유전체학을 연구하는 훌륭한 설비와 팀을 갖추고 있으며, 이들과의 협력을 통해 이 두 가지 근본적인 질문을 연결함으로써 바다에 어떤 박테리아가 존재하는지, 그리고 이들이 해양과 지구의 건강을 결정하는 데 어떤 역할을 하는지 더 잘 이해할 수 있기를 희망합니다.