Bacterial aggregation in the presence of directed motion

단세포 생물의 미시 세계에서 생명은 종종 흐름에 맞서는 고독한 투쟁이다. 그러나 적절한 조건 하에서, 이 작은 존재들은 고립을 극복하고 하나의 통일된 전체로서 움직일 수 있다. 박테리아의 영양분 탐색을 위한 군집 형성부터 배아 발달 과정 중 세포의 이동에 이르기까지, 자연계에서 관찰되는 집단 운동(collective motion)이라 알려진 이 현상은 근본적인 행동이다. 과학자들은 각자 자신의 결정을 내리는 개별 세포들이 어떻게 협력하여 함께 이동하는 응집력 있는 집단을 형성할 수 있는지에 대해 오랫동안 관심을 가져왔다. 이 분야의 핵심 질문은 물의 흐름이나 빛의 구배와 같은 외부의 힘이 이 세포들을 특정 방향으로 밀어낼 때 어떤 일이 일지 이해하는 것이다. 집단은 단순히 흩어지는가, 아니면 하나의 조직된 단위로서 형태를 유지하며 움직일 수 있는가?

연구진은 최근 밀집된 클러스터를 형성하는 것으로 알려진 특정 유형의 남조류(cyanobacteria)를 연구함으로써 이 질문을 탐구했다. 이 박테리아들이 외부의 방향 지시 없이도 촘촘한 집단을 형성할 수 있다는 점은 잘 알려져 있지만, 새로운 연구는 이 집단들이 지속적인 밀림이나 한 방향으로의 강한 선호도를 겪을 때 어떻게 행동하는지를 조사한다. 과학자들은 박테리아 클러스터가 지속적인 유체의 흐름이나 빛의 원천을 향한 강한 편향 속에서도 생존할 수 있는지, 만약 그렇다면 얼마나 빨리 움직이고 그 형태는 어떠할지를 알고 싶어 했다. 수천 개의 개별 세포 행동을 시뮬레이션하는 수학적 모델을 구축함으로써, 연구팀은 이러한 이동하는 클러스터가 형성되는 조건과 이동 속도, 그리고 언제 필연적으로 해체되는지를 예측할 수 있었다.

연구진은 먼저 개별 박테리아가 세 가지 뚜렷한 방식으로 움직이는 컴퓨터 시뮬레이션을 만들었다. 첫째, 그들은 햇빛 속의 먼지 입자처럼 좌우로 요동치며 무작로 움직였다. 둘째, 그들은 이웃을 향해 움직이려는 경향을 보였는데, 이는 그들을 뭉치게 만드는 행동이다. 셋째, 그들은 유도된 힘의 영향을 받았다. 첫 번째 모델에서 이 힘은 모든 세포를 오른쪽으로 밀어내는 일정한 속도의 힘이었으며, 이는 유체의 흐름을 모사했다. 두 번째 모델에서 힘은 직접적인 밀기라기보다 의사결정의 편향이었다. 즉, 세포들은 빛의 원천이나 화학적 신호를 시뮬레이션하듯 오른쪽의 이웃을 향해 움직이는 것을 선호하도록 프로그래밍되었다. 연구팀은 이러한 개별 규칙들을 전체 집단에 대한 연속적인 기술로 변환하여, 결과적으로 나타나는 클러스터의 정확한 형태와 속도를 계산할 수 있었다.

결과는 집단을 결속시키는 힘과 집단을 흩뜨리려는 힘 사이의 섬세한 균형을 드러냈다. 세포들이 물리적으로 흐름에 의해 밀리는 첫 번째 시나리오에서, 클러스터는 하나의 단위로 이동할 수 있었으나, 이는 흐름이 너무 강하지 않을 때만 가능했다. 만약 전류가 너무 빠르거나 세포들의 움직임이 너무 무작위적이라면, 집단은 개별 개체들이 균일하게 퍼진 상태로 해체될 것이다. 그러나 조건이 딱 적절할 때, 클러스터는 뚜렷한 형태를 유지하며 개별 세포들의 속도와 매우 유사한 속도로 이동했다. 연구진은 클러스터가 단순히 떠도는 것이 아니라, 높은 정밀도로 예측 가능한 특정 속도로 이동한다는 것을 발견했다. 흥로도 불구하고, 클러스터의 형태는 대칭적이지 않았다. 뒤쪽 가장자리는 더 가파르고 진행 방향을 마주 보는 쪽은 더 완만하여, 흐름의 속도가 증가함에 따라 변화하는 뚜렷한 프로파일을 만들어냈다.

세포들이 직접적인 물리적 밀림 없이 오른쪽으로 편향된 두 번째 모델은 다르지만 똑같이 매혹적인 결과를 낳았다. 여기서 집단의 속도는 세포들이 오른쪽 이웃을 얼마나 강하게 선호하느냐에 달려 있었다. 이 선호도가 증가함에 따라 클러스터는 더 빠르게 움직였지만, 그 형태는 극적으로 변했다. 집단은 날카로운 전면부와 그 뒤로 길고 완만한 꼬리를 형성했다. 이러한 비대칭성은 전방의 세포들이 선호하는 방향으로 너무 빠르게 움직임에 따라 후방의 세포들이 이를 따라잡는 데 어려움을 겪어 집단이 늘어남을 시사한다. 연구는 이 편향에 대한 임계값을 식별했다. 만약 선호도가 너무 약하면 세포들은 이동하는 집단을 전혀 형성하지 못할 것이고, 만약 너무 강하면 후방 세포들이 전방과의 접촉을 유지할 수 없게 되어 집단이 깨질 것이다.

아마도 가장 놀라운 발견은 박테리아의 행동을 예측할 수 없거나 불안정하게 만드는 특정 구역의 존재였다. 유체 흐름 모델에서는 박테리아가 조밀한 클러스터를 형성하지도, 균일하게 퍼지지도 않는 좁은 속도 범위가 존재했다. 대신, 그들은 단일한 형태에 안착하지 못한 채 전체 공간에 걸쳐 퍼져 있는 기묘하고 불균일한 상태를 형성했다. 방향성 편향 모델에서 연구진은 "쌍안정성(bistability)" 영역을 발견했다. 이 구역에서 박테리아는 초기 상태에 따라 두 가지 다른 상태로 존재할 수 있었다. 즉, 흩어진 균일한 개체군으로 남거나 혹은 조밀하게 이동하는 클러스터를 형성할 수 있었다. 이는 집단의 역사가 중요하다는 것을 의미한다. 초기 배치에서의 미세한 차이가 박테리아를 함께 이동하게 할지 혹은 흩어지게 할지를 결정할 수 있다.

이러한 발견은 생물학적 집단이 환경을 어떻게 항해하는지에 대한 더 명확한 그림을 제공한다. 연구는 세포 집단이 이동하면서 결속을 유지하기 위해서는 이웃에 대한 충분히 강한 인력과 그들을 감지할 수 있는 충분한 감지 범위가 있어야 함을 시사한다. 그들을 미는 외부의 힘이 너무 강하거나 무작위 움직임이 너무 혼란스러우면 집단의 응집력은 실패한다. 반대로, 세포들이 선호하는 방향으로 너무 빠르게 움직이면 집단은 늘어나고 결국 깨진다. 이 연구는 이러한 한계들을 정밀한 수학적 기술로 제공하며, 집단의 속도가 작용하는 힘의 세기와 어떻게 연관되는지를 정확히 보여준다. 이러한 규칙들을 이해함으로써, 과학자들은 박테리아 집단이 유체의 흐름 변화나 빛의 변화와 같은 환경 변화에 어떻게 반응할지, 그리고 이 미시적인 여행자들이 어떻게 하나가 되어 이동하는지를 더 잘 예측할 수 있다.