Polytech-CyanoSPO is a chemically rationalized BG11 derivative overcoming precipitation and toxicity for robust cyanobacterial growth

민물 호수와 강의 조용한 구석에서, 시아노박테리아(남조류)라고 불리는 미세한 식물들이 끊임없이 활동하고 있습니다. 이 단세포 생물들은 육지의 나무들처럼 햇빛을 포착하여 에너지를 만들고 산소를 배출하는 수중 세계의 엔진입니다. 하지만 이 작은 식물 중 일부는 위험해질 수 있습니다. 조건이 갖춰지면 이들은 급격히 증식하여 유해 조류 번식(harmful algal blooms)이라고 알려진 두꺼운 녹색 층을 형성할 수 있습니다. 이러한 번식은 물속의 다른 생명체들을 질식시킬 수 있으며, 식수원, 반려동물, 그리고 사람들을 위협하는 독소를 방출합니다. 이러한 번식이 어떻게 시작되는지, 어떻게 독소를 생성하는지, 그리고 어떻게 이를 막을 수 있는지를 이해하기 위해, 과학자들은 실험실에서 이 유기체들을 배양할 수 있어야 합니다. 그들은 자연 상태의 호수가 가진 혼란 없이 세포가 분열하는 것을 관찰하고 그 행동을 연구할 수 있는 통제된 환경이 필요합니다.

수십 년 동안, 이 민물 시아노박테리아를 실험실에서 먹이는 표준 레시피는 BG11이라고 불리는 혼합물이었습니다. 이것은 물, 염분, 그리고 철, 질소, 인과 같은 필수 영양소를 포함하고 있는, 전 세계 연구자들이 신뢰하는 잘 알려진 공식입니다. 아이디어는 간단합니다. 세포에 필요한 먹이를 제공하면, 그들은 성장할 것이라는 것입니다. 하지만 특정 독성 시아노박테리아 그룹의 경우, 이 표준 레시피는 완전히 실패했습니다. 과학자들이 세 가지 특정 종인 Planktothrix agardhii, Shackletoniella antarctica, 그리고 Pseudanabaena catenata를 이 표준 혼합물에서 키우려고 했을 때, 세포들은 단순히 느리게 자라는 것에 그치지 않고 성장을 완전히 멈췄습니다. 세포들은 창백해졌고, 내부 기계 장치는 무너졌으며, 배양액은 사멸했습니다. 이 실패는 큰 장애물을 만들었습니다. 이 특정 독성 균주들을 실험실에서 키울 방법이 없었기에, 연구자들은 무엇이 독소 방출을 유발하는지 또는 야생에서 언제 번식이 일어날지를 예측할 수 없었습니다.

페테르 대제 상트페테르부르크 폴리테크닉 대학교의 연구팀은 왜 이 표준 먹이가 실패하는지 조사하고 더 나은 먹이를 만들기 위해 결심했습니다. 그들은 문제가 먹이의 부족이 아니라, 그 먹이가 전달되는 방식에 있다는 것을 발견했습니다. 표준 혼합물에서는 특정 성분들이 서로 반응하여 박테리아가 먹을 수 없는 고체 덩어리를 형성하거나, 다른 성분들이 세포에 실제로 독성이 있는 화학적 환경을 조성했습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 'Polytech-CyanoSPO'라고 명명한 새로운 수정 레시피를 개발했습니다. 이 새로운 혼합물은 새로운 영양소를 발명한 것이 아니라, 대신 박테리아가 실제로 사용할 수 있는 형태의 네 가지 특정 성분을 교체한 것입니다.

첫 번째 변화는 광합성을 수행하는 데 필수적인 미네랄인 철을 다루었습니다. 기존 레시피에서 철은 빛 속에서 빠르게 분해되는 화합물과 섞여 있었고, 이로 인해 철이 바닥에 가라앉는 고체 형태의 녹슨 슬러지로 변했습니다. 박테리아는 그것에 도달할 수 없었습니다. 새로운 레시Recipe는 이를 다른 형태의 철염과 결합하여, 철을 액체 상태로 녹아 있는 상태로 유지하며 세포가 쉽게 잡을 수 있도록 보호하는 특수한 분자와 짝을 지어 대체했습니다. 두 번째 변화는 질소 공급원을 다루었습니다. 기존 레시피는 세포에 스트레스를 주고 내부 균형을 깨뜨릴 수 있는 염분인 나트륨을 동반하는 형태의 질소를 사용했습니다. 새로운 레시피는 이 질소를 박테리아가 기능하는 데 필요한 미네eral인 칼륨과 짝을 이룬 형태로 바꾸어, 먹이를 에너지와 필수 미네랄의 원천으로 효과적으로 전환하면서도 스트레스를 주지 않도록 했습니다.

세 번째 조정은 또 다른 핵심 영양소인 인을 다루었습니다. 표준 혼합물에서 인이 용해되는 방식은 인이 칼슘 및 마그네슘과 달라붙어 박테리아가 흡수할 수 없는 보이지 않는 고체를 형성할 가능성이 높았습니다. 새로운 레시피는 물을 약간 산성으로 유지하는 다른 형태의 인을 사용하여, 이러한 고체가 형성되는 것을 방지하고 세포가 먹을 수 있도록 인을 계속 이용 가능한 상태로 유지했습니다. 마지막으로, 연구팀은 미량 금속인 코발트의 원천을 변경하여, 해로울 수 있는 화학적 형태를 제거하고 더 안전하고 안정적인 버전으로 교체했습니다. 이 네 가지 변화는 숫자는 적었지만 효과는 엄청났습니다.

연구원들이 새로운 혼합물을 기존의 것과 비교 테스트했을 때, 결과는 극적이었습니다. 표준 BG11 혼합물에서 세 가지 독성 종은 간신야 겨우 살아남았습니다. 그들의 수는 증가하지 않았고, 녹색 색상은 흐려졌으며, 에너지 엔진이 멈췄음을 나타내는 징후인 산소도 거의 생성하지 못했습니다. 반면, 새로운 Polytech-CyanoSPO 혼합물에서 자란 배양액은 생명력으로 폭발했습니다. 14일 동안 새로운 혼합물에서의 세포 수는 기존 혼합물보다 10배에서 30배 더 높게 성장했습니다. 새로운 배양액의 물은 산소가 너무 풍부하여 일반적인 공기 중의 용존량보다 더 많은 산소를 함유하게 되었는데, 이는 박테리아가 풀 스피드로 광합성을 하고 있다는 명확한 신호였습니다.

과학자들은 또한 실험 후 물에 무엇이 남아 있는지도 측정했습니다. 실패한 배양액에서는 물에 여전히 사용되지 않은 질소와 인이 가득했는데, 이는 박테리아가 너무 아파서 그것을 먹지 못했음을 입증했습니다. 성공적인 배양액에서는 물에 이러한 영양소가 거의 비어 있었으며, 이는 건강한 박테리아가 이용 가능한 거의 모든 것을 소비했음을 보여주었습니다. 새로운 혼합물은 또한 물을 안정적인 중성 pH 수준으로 유지한 반면, 기존 혼합물은 세포를 더욱 중독시키는 알칼리성으로 변했습니다. 이러한 화학적 퍼즐을 해결함으로써, 연구자들은 이 까다로운 독성 균주들을 키울 수 있는 신뢰할 수 있는 방법을 제공했습니다. 이 돌파구는 이제 과학자들이 실험실에서 이 유기체들을 확신을 가지고 연구할 수 있게 해주며, 이들이 어떻게 독소를 생성하는지, 그리고 유해 조류 번식의 위험으로부터 수자원을 어떻게 보호할 수 있는지 이해하는 문을 열어주었습니다.