High-efficiency antimony biomineralization by Serratia marcescens: process optimization and integrated genomic–transcriptomic–proteomic analysis

안티모니는 독성이 있는 메탈로이드로, 특히 광산 인근의 물과 토양에서 점점 더 큰 문제가 되고 있습니다. 이것은 자연계에 다양한 형태로 존재하지만, 그중 안티모니(III)라고 알려진 버전은 세포가 에너지를 생성하고 스스로를 복구하는 방식을 방해할 수 있기 때문에 생명체에게 특히 위험합니다. 자연에는 중금속을 덜 해로운 형태로 변화시키는 박테리아를 포함하여 중금속을 처리하는 방법들이 있지만, 이 작은 유기체들이 안티모니를 중화하기 위해 취하는 구체적인 단계들은 오랫동안 미스터리로 남아 있었습니다. 과학자들은 일부 미생물이 용해된 안티모니를 고체 결정으로 바꾸어 독성을 효과적으로 가두어 버릴 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었지만, 박테리아가 그 작업을 수행할 수 있을 만큼 충분히 오래 독성을 견뎌내는 방식이나 그 결정들을 정확히 어떻게 만들어내는지에 대해서는 완전히 이해하지 못했습니다.

귀주대학교의 연구팀은 중국의 한 안티모니 광산 폐기물에서 발견한 특정 박테리아를 연구함으로써 이 과정의 층위를 파헤쳤습니다. 그들은 리터당 250밀리몰 이상의 안티모니가 포함된 물에서도 생존할 수 있는 놀라운 강인함을 가진 막대 모양의 미생물인 세라티아 마르세센스(Serratia marcescens) 균주를 분리해 냈습니다. 이 정도의 내성은 다른 대부분의 박테리아가 견딜 수 있는 수준보다 훨씬 높습니다. 연구진은 단순히 이 박테리아가 물을 정화할 수 있다는 것뿐만 아니라, 어떻게 용해된 독물을 삼산화안티모니라는 고체 결정질 광물로 변형시키는지 알고 싶었습니다. 이를 위해 연구진은 단순히 박테리아가 자라는 것을 관찰하는 데 그치지 않고, 첨단 이미징 기술과 미생물의 유전적 지시 사항 및 생성된 단백질에 대한 심층적인 탐구를 결olo 결합하여, 작동 중인 생물학적 기계의 완전한 그림을 그려냈습니다.

첫 번째 단계는 박테리아가 임무를 수행하기 위한 완벽한 조건을 찾는 것이었습니다. 온도, 산도, 흔드는 속도를 테스트한 결과, 연구팀은 박테리아가 27.7도씨의 온도와 약간 산성인 물에서 가장 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 이러한 최적화된 조건 하에서, 이 미생물은 단 5일 만에 물속에서 안티모니의 96.18%를 제거했습니다. 하지만 진짜 이야기는 그 며칠 동안 일어난 일에 있습니다. 고성능 현미경과 빛 기반 이미징 도구를 사용하여 연구진은 변형 과정이 펼쳐지는 모습을 관찰했습니다. 그들은 과정이 한꺼번에 일어나지 않는다는 것을 보았습니다. 첫째 날에는 눈에 보이는 아무것도 나타나지 않았습니다. 그러다 첫날 이후, 작은 알갱이 형태의 덩어리들이 박테리아 표면에 달라붙기 시작했습니다. 둘째 날에는 이 덩어리들이 불규칙하게 쌓인 책 더미처럼 뚜렷하고 조각 같은 결정체로 성장했습니다. 용해된 안티모니가 삼산화안티모니라는 고체 결정으로 완전히 변하는 데는 약 36시간이 걸렸습니다. 이러한 단계별 관찰은 박테리아가 먼저 부드럽고 무질서한 겔 형태의 층을 만든 다음, 그것이 최종 결정으로 굳어진다는 것을 확인시켜 주었으며, 이는 실험실 시험관에서 결정이 보통 형성되는 방식과는 다른 경로입니다.

과학자들은 이 박테리아가 이러한 결정을 만드는 동안 어떻게 독성이 강한 환경에서 살아남았는지 이해하기 위해 미생물의 유전 코드와 활성 단백질을 조사했습니다. 그들은 박테리아가 스트레스에 대처하기 위해 거대한 내부 재편성을 겪는다는 것을 발견했습니다. 박테리아는 본질적으로 이동 능력을 차단했습니다. 박테리아가 헤엄치는 데 사용하는 작은 채찍 모양의 꼬리인 편모를 만드는 유전자들이 꺼졌습니다. 이것은 의도적인 에너지 절약 조치였습니다. 헤엄치는 데는 엄청난 에너지가 필요하므로, 움직임을 멈춤으로써 박테리아는 독성 안티모니를 세포 밖으로 퍼내고 보호용 결정을 만드는 데 모든 동력을 재배치할 수 있었습니다. 헤엄치는 대신, 박테리아는 외부 코팅을 두껍게 만들어 안티모니를 가두는 물리적 장벽을 만들고 결정이 자랄 수 있는 장소를 제공했습니다.

동시에, 박테리아는 내부 방어 시스템을 강화했습니다. 독성 안티모니는 세포의 생존에 필수적인 부분, 특히 세포의 에너지 생산을 위한 작은 배터리 역할을 하는 철과 황의 클러스터를 공격합니다. 박테리아는 손상된 부위를 수리하기 위해 주변 환경으로부터 철과 황을 공격적으로 찾아내는 방식으로 대응했습니다. 또한, 세포가 공격받을 때 발생하는 해로운 화학적 부산물을 중화하는 분자인 항산화제의 생산을 늘렸습니다. 연구는 박테리아가 지방을 태우고 에너지 순환을 더 효율적으로 실행하는 데 집중하도록 대사 과정을 전환했음을 보여주었으며, 이를 통해 독물을 배출하는 펌프를 가동할 충분한 전력을 확보했음을 입증했습니다. 이러한 조율된 노력 덕분에 미생물은 생존할 뿐만 아니라 액체 독물을 고체 광물로 능동적으로 변환할 수 있었습니다.

이러한 발견은 이 박테리아가 생존과 자원 회수의 균형을 맞추는 정교한 전략을 진화시켜 왔음을 시사합니다. 그것은 단순히 독성을 견디는 것이 아니라, 독성을 능동적으로 변형시킵니다. 용해된 안티모니를 고체 결정으로 바꿈으로써, 박테리아는 물에서 위협을 효과적으로 제거하는 동시에 가치 있는 광물 자원을 만들어냅니다. 이 연구는 이 과정이 움직임을 멈추고, 손상된 세포 기계를 수리하며, 세포 표면에서 결정 형성을 유도하는 정밀한 일련의 사건들에 의존한다는 것을 보여줌으로써 이 일이 어떻게 일어나는지에 대한 상세한 청사진을 제공합니다. 이 발견은 자연이 중금속 오염을 처리하는 방식에 대한 새로운 관점을 제공하며, 오염된 지역을 정화하고 폐기물로부터 유용한 재료를 회수하기 위해 유사한 생물학적 과정을 사용할 가능성을 제시합니다.