Quantifying the oxygen preferences of bacterial communities using a metagenome-based approach

방 안에 산소가 얼마나 있는지 알아내려고 노력한다고 상상해 보세요. 하지만 온도계나 센서를 사용할 수는 없습니다. 대신, 당신은 공기의 질을 추측하기 위해 방 안에 있는 사람들을 관찰하기로 합니다. 만약 달리기하며 거칠게 숨을 쉬어야 하는 사람들(호기성 생물)이 대부분 보인다면, 산소가 풍부하다는 것을 알 수 있습니다. 반대로 휴식을 취하거나 조용히 잠을 자고 있는 사람들(혐기성 생물)이 대부분 보인다면, 공기가 희박하다는 것을 알 수 있습니다.

이 논문은 바로 그 작업을 사람이 아닌 박테리아를 대상으로, 호흡을 관찰하는 대신 유전적 단서를 사용하여 수행하는 것에 관한 내용입니다.

이들의 발견을 쉬운 용어로 정리하면 다음과 같습니다:

문제점: 산소는 포착하기 어렵다

산소는 많은 미세한 생명체들에게 '연료'와 같지만, 깊은 토양이나 인간의 장 내부와 같은 곳에서 직접 측정하기는 까별합니다. 때로는 센서가 작동하지 않거나, 산소 수치가 너무 빠르게 변해서 포착하지 못할 때도 있습니다. 연구진은 박테리아 자체를 '살아있는 센서'로 사용하여 산소가 얼마나 있는지 알려주는 방법을 찾고자 했습니다.

해결책: 유전적 "메뉴"

연구팀은 서로 다른 박테리아가 서로 다른 "메뉴"의 유전자를 가지고 있다는 사실을 깨달았습니다. 어떤 박테리아는 산소가 존재할 때만 생존하는 데 필요한 특정 도구(유전자)를 가지고 있는 반면, 다른 박테리아는 산소가 없을 때만 생존하는 데 필요한 도구를 가지고 있습니다.

1. 단서 찾기: 그들은 스마트한 컴퓨터 프로그램(머신러닝)을 사용하여 수천 개의 박테리아 게놈을 스캔했습니다. 이는 마치 탐정이 용의자 목록을 좁혀가며, 박테리아가 산성을 좋아하는지 싫어하는지를 나타내는 가장 좋은 지표 역할을 하는 20개의 핵심 유전자를 찾아내는 과정과 같았습니다.
2. 도구 구축 (OxyMetaG): 그들은 OxyMetaG라는 소프트웨어 도구를 만들었습니다. 이 도구는 아주 빠른 사서라고 생각하면 됩니다.
   • 당신이 토양 샘플이나 장 샘플에서 추출한 유전적 "페이지들"(DNA 리드)을 건네줍니다.
   • 사서는 필요 없는 책들은 무시하고 오직 그 20개의 단서 유전자만을 찾아냅니다.
   • 그 후 "산소를 좋아하는" 단서와 "산소를 싫어하는" 단서가 각각 몇 개인지 셉니다.
   • 이 비율을 바탕으로, "이 샘플은 산소를 좋아하는 박테리아가 60%, 싫어하는 박테리아가 40%입니다"라고 알려줍니다.

이 도구가 특별한 이유

보통 박테리아 군집을 이해하기 위해 과학자들은 전체 "도서관"을 재구성하려고 노력합니다(전체 게놈 조립). 이는 마치 낱장 하나만 가지고 파쇄된 백과사전 전체를 복원하려는 것과 같습니다. 이는 시간이 오래 걸리고, 샘플이 지저리거나 작을 경우 자주 실패합니다.

OxyMetaG는 이 힘든 과정을 건너뜁니다. 이 도구는 전체 도서관을 다시 만들 필요 없이, 필요한 키워드만을 빠르게 스캔합니다. 덕분에 이 도구는 샘플이 작거나 지저분해도 작동하며, 슈퍼컴퓨터를 요구하지도 않습니다.

그들이 발견한 것

연구진은 이 도구를 두 가지 매우 다른 세계에서 테스트했습니다:

• 토양의 세계: 540개의 서로 다른 토양 샘플을 조사했습니다. 그들은 건조하고 모래가 많은 토양에는 보통 산소를 좋아하는 박테리아가 많다는 것을 발견했습니다. 그러나 물이 공기를 차단하는 젖고 진흙이 많은 토양이나 입자가 고운 토양에서는, 이 도구가 산소를 싫어하는 박테리아로의 변화를 정확하게 감지해 냈습니다.
• 인간 장의 세계: 아기가 성장함에 따라 환경이 어떻게 변하는지 추적하기 위해 인간의 장에서 얻은 73개의 샘플을 조사했습니다. 그들은 명확한 이야기를 발견했습니다:
  • 신생아: 신생아의 장은 산소를 좋아하는 박테리아(최대 61%)가 가득한 햇살 가득한 초원과 같습니다.
  • 3세가 되면: 장은 완전히 산소를 싫어하는 박테리아가 지배하는 어두운 동굴로 변합니다.

큰 그림

연구진은 박테리아를 **생물 지표(bio-indicators)**로 전환하는 방법을 만들어냈습니다. 마치 연못의 물 상태를 짐작하기 위해 물고기의 종류를 보는 것처럼, 이제는 박테리아의 유전적 "발자국"을 보고 샘플의 산소 수치를 짐작할 수 있습니다. 이 도구인 OxyMetaG는 이제 현대 환경이나 심지어 고대 환경의 숨겨진 산소 수치를 산소를 직접 측정하지 않고도 이해하고자 하는 모든 이들이 사용할 수 있도록 공개되었습니다.