Cultivation-dependent effects of quorum sensing signals on a lactic acid and chain-elongating bacterium
이 연구는 쿼럼 센싱 신호가 젖산균 및 사슬 연장균에 미치는 영향이 특정 신호, 기질 및 배양 환경에 따라 크게 달라진다는 점을 밝힘으로써, 순수 배양에서의 반응이 순환 바이오 제조와 관련된 미생물 군집 내에서의 행동을 예측하는 데 종종 실패한다는 것을 입증한다.
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미생물의 숨겨진 세계에서 박테리아는 고립된 개체로 존재하지 않는다. 대신, 그들은 행동을 조절하기 위해 끊임없이 화학적 메시지를 교환하는 북적이는 공동체 속에서 살아간다. 쿼럼 센싱(quorum sensing)이라고 알려진 이 언어는 박테리아가 주변에 얼마나 많은 이웃이 있는지 감지하고 하나의 통일된 집단으로서 행동할 수 있게 해준다. 인구 밀도가 특정 수준에 도달하면, 이러한 화학 신호는 보호용 점액층을 형성하거나, 독소를 방출하거나, 음식 섭수를 조절하는 등의 변화를 유발한다. 과학자들은 질병을 일으키는 박테리아에서 이 의사소통이 어떻게 작동하는지는 오랫동안 이해해 왔지만, 유기 폐기물을 유용한 연료와 화학 물질로 바꾸는 데 사용되는 복잡한 혼합 공동체 내에서 이것이 어떻게 기능하는지에 대해서는 알려진 바가 훨씬 적다. 그러한 유망한 공정 중 하나는 사슬 연장(chain elongation)으로, 특정 박테리아들이 협력하여 단순 유기산을 더 가치 있는 긴 분자로 전환하는 과정이다. 그러나 서로 다른 박테리아 그룹들이 어떻게 대화를 나누는지에 대한 규칙은 여전히 미스터리로 남아 있어, 연구자들은 외부에서 화학 신호를 추가하는 것이 공정에 도움이 될지 아니면 방해가 될지 확신하지 못하고 있다.
이를 탐구하기 위해, 헨트 대학교와 퀸즐랜드 대학교의 연구팀은 두 가지 핵심 유형의 박테리아가 이러한 화학적 메시지에 어떻게 반응하는지 테스트하기 위해 나섰다. 그들은 흔한 유산균인 Lactiplantibacillus plantarum과, 첫 번째 박테리아가 생성한 산을 먹고 자랄 수 있는 사슬 연장 박테리아인 Megasphaera elsdenii를 선택했다. 과학자들은 외부에서 특정 쿼럼 센싱 분자를 추가했을 때 이 박테리아들의 성장, 표면 부착을 통한 바이오필름 형성, 그리고 화학 물질 생산 방식이 어떻게 변하는지 확인하고자 했다. 그들은 다양한 길이의 아실-호모세린 락톤(acyl-homoserine lactones), 인돌(indole)이라는 분자, 그리고 그 외의 신호들을 포함한 다양한 신호들을 먼저 단독 배양 상태에서, 그리고 두 박테리아를 함께 배양했을 때 테스트했다.
연구진이 작은 플레이트에서 각 박테리아를 단독으로 배양했을 때, 결과는 명확하면서도 다양했다. 유산균은 추가된 여러 신호에 반응하여 성장이 약간 빨라졌으나, 주요 생성물인 젖산을 더 많이 생산하지는 않았다. 흥ًا히도, 일부 신호들은 박테리아가 용기의 플라스틱 표면에 덜 달라붙게 만들었는데, 이는 화학 물질이 세포와 환경 사이의 상호작용을 변화시키고 있음을 시사한다. 사슬 연장 박테리아는 먹이에 따라 완전히 달라지는 더욱 복잡한 반응을 보였다. 단순한 당을 먹였을 때는 추가된 신호들이 거의 영향을 미치지 않았다. 그러나 연구진이 유산균이 먹고 남은 액체 폐기물을 먹였을 때, 거의 모든 추가된 신호들이 사슬 연장 박테리아의 성장을 현저히 촉진했다. 이러한 혼합 먹이 조건에서, 박테리아들은 또한 행동을 바꾸어 더 끈적한 바이오필름 층을 형성했다. 이러한 성장 및 부착 행동의 변화에도 불구하고, 박테리아가 생산하는 화학 물질의 종류는 대체로 동일하게 유지되었는데, 이는 신호가 박테리아의 대사 지침을 다시 쓰지는 않고 물리적 상태만을 변화시켰음을 나타낸다.
두 박테리아를 같은 용기에서 함께 키워 더 자연스러운 공동체를 모사했을 때 이야기는 완전히 바뀌었다. 여기서, 단독 배양 테스트에서 보였던 극적인 효과들은 사라졌다. 연구진이 성장을 촉진했던 신호를 추가하든, 바이오필름 형성을 변화시켰던 신호를 추가하든, 혼합 공동체는 유의미한 반응을 보이지 않았다. 박테리아는 신호를 추가하지 않았을 때와 동일한 속도로 성장했고, 동일한 양의 바이오필름을 형성했으며, 동일한 종류의 화학 물질을 생산했다. 이러한 무반응은 연구팀이 실험 환경을 작은 플라스틱 플레이트에서 더 상세한 샘플링이 가능한 더 큰 유리병으로 옮긴 후에도 그대로 유지되었다. 연구진은 또한 한 박테리아가 다른 박테리아가 보내는 신호를 단순히 파괴하는 현상인 쿼럼 퀀칭(quorum quenching)이 일어나는지 확인했으나, 결합된 공동체가 개별 박테리아가 단독으로 있을 때보다 신호를 더 많이 분해하지는 않는다는 것을 발견했다.
본 연구는 박테리아가 단독으로 있을 때는 화학 신호를 감지하고 반응할 수 있지만, 이러한 반응이 혼합 공동체에서의 행동을 반드시 예측하는 것은 아니라고 결론짓는다. 파트너 유기체의 존재, 특정 먹이의 가용성, 그리고 용기의 물리적 조건 모두가 추가된 신호의 영향력을 압도하는 것으로 보인다. 이 발견은 과학자들이 단일 종에 대한 신호 반응만을 보고 복잡한 산업 공정에서도 동일한 일이 일어날 것이라고 가정할 수 없음을 시사한다. 이러한 가치 있는 폐기물-연료 전환 시스템에서 미생물 의사소통을 진정으로 이해하기 위해서, 연구자들은 단순화된 단일 종 테스트에 의존하기보다 그들이 최종적으로 작동하게 될 정확한 조건 하에서 박테리아를 연구해야 한다.
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