스스로 움직이는 박테리아, 기존 분포 법칙 따르지 않는다

하이커뮤니티매니져 0 23 10.12

UNIST 연구진

실험 모델과 운동성 유무에 따른 박테리아 분배 모식도 A, B: 덱스트란(DEX)과 폴리에틸렌글리콜(PEG)로 만든 이중 수용액(ATPS) 속에서 박테리아가 어떻게 분포하는지를 보여주는 모식도. 두 액체 상이 섞이지 못해 경계가 생기고, 실험은 두께 약 5 μm의 종이처럼 얇은 층, 즉 준2차원 공간에서 진행됐다. C: 한쪽 영역(노란색)에 완전히 분배되게 움직이지 않는 박테리아. D: 양쪽 영역에 일정한 비율로 분포하는 스스로 움직이는 박테리아. UNIST 제공

UNIST 연구결과를 보여주는 운동성 유무에 따른 박테리아 분배 모식도. A, B는 덱스트란(DEX)과 폴리에틸렌글리콜(PEG)로 만든 이중 수용액(ATPS) 속에서 박테리아가 어떻게 분포하는지를 보여주는 모식도. C에서는 한쪽 영역(노란색)에 완전히 분배되게 움직이지 않는 박테리아를 보여주며 D는 양쪽 영역에 일정한 비율로 분포하는 스스로 움직이는 박테리아 모습을 보여준다. UNIST 제공

물질 속 모든 입자는 온도 때문에 끊임없이 미세하게 움직인다. 이런 움직임을 '브라운 운동'이라 부른다. 입자는 에너지가 낮은 곳으로 모이게 된다는 통계적 분포 법칙을 따른다. 하지만 세균처럼 스스로 움직일 수 있는 미세 입자는 이런 법칙을 따르지 않는다는 연구결과가 나왔다.

울산과학기술원(UNIST)은 정준우 물리학과 교수, 로버트 미첼 생명과학과 교수, 쇼 타카토리 미국 스탠퍼드대 교수 연구팀이 세균처럼 작지만 스스로 움직일 수 있는 입자들이 어떤 통계 분포 원리를 따르는지를 세계 최초로 규명했다고 12일 밝혔다.

천지용 미국 조지아텍 박사후연구원(당시 UNIST 물리학과 연구원)과 최규환 미국 스탠퍼드대 박사후연구원이 연구에 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 물리학 분야 국제학술지인 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 9월 16일 온라인 공개됐다.

살아있는 세균의 분포를 결정하는 핵심 요소는 세균의 운동성과 특정 액체상에 대한 선호도다. 특정 액체상에 대한 세균의 선호는 세균을 해당 액상에 가두는 역할을 한다. 세균의 운동성은 그곳에서 빠져나올 수 있도록 만드는 경쟁적 관계다.

연구팀은 세균의 운동성과 특정 액체상에 대한 세균의 선호도를 정량적으로 분석해 세균의 분포를 설명하는 이론 모델을 만들었다.

연구팀이 광학집게 기술로 세균이 특정 액체상에 끌리는 힘을 측정한 결과 1 피코 뉴턴(1pN) 수준으로 밝혀졌다. 피코뉴턴은 머리카락 한 올이 느끼는 중력보다 1000만 배 작은 힘이다. 세균의 운동성은 10pN 수준이다. 자신의 운동 추진력으로 특정 액상에 가두는 힘을 넘어설 수 있는 것이다.

연구는 청국장 발효균인 '고초균'을 덱스트란과 폴리에틸렌글리콜 수용액으로 이뤄진 수계 2상 시스템에 주입하는 실험 모델에서 진행됐다. 물에 덱스트란과 폴리에틸렌글리콜을 녹이면 서로 섞이지 못해 분리된 두 액체상이 생긴다. 고초균 표면은 당 성분으로 싸여 있다. 고초균은 덱스트란 수용액상에 끌리는 성질이 있지만 표면처리를 하게 되면 선호도가 바뀌어 폴리에틸렌글리콜 상에 끌리게도 할 수 있다.

실험 결과 움직이지 않는 고초균은 선호하는 한쪽 상에 모였지만 움직이는 고초균은 양쪽 모두에 고루 분포했다. 고초균이 골고루 분포하는 현상은 기존에 입자의 분포를 지배하는 통계법칙으로는 설명되지 않는 현상이다.

연구팀은 “물리, 화학공학, 미생물학을 아우르는 협업 연구를 통해 비평형 상태에서 콜로이드 입자의 분포 법칙에 작용하는 힘을 처음으로 정량화했다”며 “모델시스템은 비평형 통계역학과 비평형 상태에서 계면-콜로이드 입자간의 상호작용에 대한 이해도를 높일 수 있을 것이다”라고 강조했다.

비평형 상태는 외부에서 에너지가 계속 공급되거나 소모되는 상태로 이번 모델은 세균이 에너지를 써 추진력을 만들기 때문에 비평형 상태에 해당한다.

정준우 교수는 “연구는 세균이 체내 특정 조직에 자리 잡는 원리를 설명할 단서를 제공할 뿐만 아니라 단백질 정제, 바이오칩 설계, 미세 로봇 제어 개발에 등에도 도움이 될 수 있을 것”이라고 말했다.

https://m.dongascience.com/news.php?idx=74472

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순위	팀	경기	승	무	패	승점
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5	맨시티	17	10	4	3	34
6	맨유	19	10	1	8	31
7	웨스트햄	18	9	3	6	30
8	뉴캐슬	19	9	2	8	29
9	브라이튼	18	7	6	5	27
10	본머스	18	7	4	7	25
11	첼시	18	6	4	8	22
12	울버햄튼	18	6	4	8	22
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