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김수현
김수현(Suhyun Kim) 저자 이메일 보기
인하대학교
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Culturing the ubiquitous freshwater actinobacterial acI lineage by supplying a biochemical ‘helper’ catalase

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

박테리아는 눈에 보이지는 않지만 그 생물량은 지구 상의 생물 중 최대를 차지하고 있으며, 그만큼 생태계의 구성과 유지에 큰 기여를 할 것으로 예측되고 있습니다. 그 역할을 제대로 이해하는 일은 지구 환경의 보존 및 예측을 위해서도 중요하지만, 현재까지 우리가 알고 있는 지식은 극히 일부분에 불과합니다. 이 연구는 담수 환경에서 가장 높은 밀도로 존재하는 박테리아 acI clade에 속하는 균주 2개의 순수 배양체를 확보하는 데에 성공하여, 이들의 생태적 기능을 밝혀 내기 위한 초석을 마련한 것에 의의가 있습니다. 연구 대상인 Actinobacteria acI clade는 지구 상에 있는 대부분의 담수 환경에서 공통적으로 발견되며 때로는 전체 박테리아 군집에서 50%를 차지할 만큼 매우 높은 우점도를 가지고 있어 담수 생태계에서 중요도가 매우 클 것으로 예상되었지만, 그 배양이 불가능했던 이유로 오랜 세월 동안 연구의 진전이 더디게 이루어져 왔습니다.

acI clade 박테리아가 가지는 대표적 특징 중 하나는 1.2-1.4 Mbp의 작은 크기의 streamlined genome을 가지고 있다는 것입니다. 이는 SAR11이나 Prochlorococcus, AOA 등 바다의 우점 미생물군들도 가지고 있는 특징으로, 빈영양상태의 환경에서 성공적으로 적응하는 과정에서 불필요한 기능을 버리며 genome reduction 과정을 거침으로 인해 나타나는 결과입니다. 이 과정에서 때로는 생존에 필수적인 유전자를 잃어버리게 되는 경우도 있는데, 환경에 있을 때는 같이 존재하는 다른 미생물들이 생성해놓은 "공공재"를 이용하여 생존할 수 있게 되고, 이는 상대적으로 다른 미생물들에 비해 높은 대사적 효율을 가지게 되는 결과로 이어져 이들이 우점 할 수 있게 되는 비결이 되기도 합니다. 이를 "metabolic dependency"라고 하는데, 이 미생물들은 실험실에서 순수 배양을 시도하게 되면 그 도움을 받을 수 없기 때문에, 이 경우 어떤 도움이 필요한지 밝혀 내어 배양 조건을 조성해주는 것이 배양의 포인트가 됩니다. Prochlorococcus와 AOA의 경우 ROS scavenging system이 결핍되어 있어 이것을 해소해주는 것이 중요하다는 사실이 이미 기존의 연구결과로 나와 있었으므로, 여기에 힌트를 얻어 본 연구에서는 hydrogen peroxide를 제거하는 것으로 널리 알려진 카탈레이스를 배지에 첨가하여 마침내 acI 박테리아의 순수배양에 성공할 수 있었습니다.

저는 2013년 학부연구생으로 지금 연구실에 들어온 이래로 계속해서 acI 박테리아의 배양을 시도해 왔었습니다. 초기 배양은 어렵지 않게 성공할 수 있었으나 배양을 안정적으로 유지하는 데에 너무나 오랜 시간이 걸렸습니다. 알 수 없는 이유로 계대를 거듭할수록 생장은 불안정 해졌고, 유전체 등에서 얻은 대사 경로 예측에 기반하여 해볼 수 있는 거의 모든 시도를 했는데도 매번 실패를 거듭하였습니다. 최초 배양 이후 거의 4년이 지나도록 희망이 없어 보여 거의 포기하고 있던 시점에야, 카탈레이스의 첨가라는 비교적 간단한 방법을 통해 겨우 성공할 수 있었습니다. 사실 의욕도 많이 떨어져 있었고, 해당 박테리아가 카탈레이스-퍼옥시데이스 유전자를 가지고 있다는 것을 유전체 정보를 통해서 이미 확인한 상황이였기 때문에 가능성이 높아 보이지 않는 시도라고 생각은 했었지만 해볼 수 있는 건 그냥 다 해보자는 생각으로 시도해 봤던 것 같습니다. '어차피 또 안되겠지'라는 마음도 없지 않았습니다만 그보단 '설령 안되더라도 무언가 작은 실마리라도 얻을 수 있다면 좋겠다'라는 마음이 더 컸었습니다. 막상 카탈레이스의 효과를 처음으로 확인했던 날은 사실 생각만큼 아주 기쁘거나 놀라지는 않았었습니다. 연구 대상 세균이 콜로니를 형성하지 않기 때문에 생장을 확인하기 위해 유세포 분석 방법을 이용하는데, SYBR Green I 다이로 1시간 염색 한 후 형광 신호의 개수를 측정했을 때 초기 농도보다 10배 이상 자라있는 배양액을 보면서 저는 '이 애들이 또 장난을 시작하는구나'라고 생각했었습니다. 며칠 수 다시 측정했을 때 10배가 1000배가 되고, 계대해서도 같은 결과를 보였을 때 비로소 안심했고, 처음으로 배양액을 농축하여 붉은색 셀 펠릿을 눈으로 확인했을 때가 가장 기뻤었던 것 같습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

인하대학교 생명과학과 분자환경미생물 연구실(Lab of Molecular Environmental Microbial Biology)은 조장천 교수님의 지도 하에, 지난 2005년 이래로 지구 상의 다양한 환경에 분포하는 미생물에 대한 연구를 수행해 오고 있습니다. 특히 해양, 호소, 지하수와 같은 물 환경을 대상으로 "고효율배양기법"을 활용하여 박테리아를 분리 및 배양함과 동시에, 다양한 분자생태학적 방법을 사용하여 이들의 분포와 역할, 유전체 기능을 밝힘으로써 생태계에 존재하고 있는 미생물들의 생태적 기능을 규명해내는 데에 기여하고 있습니다. 최근에는 혐기성 배양 시스템을 갖추어 토양에 존재하는 박테리아의 연구도 진행하고 있습니다. 이렇게 각 환경에서 분리해 낸 박테리아에 감염하는 박테리오파지의 분리 및 바이롬 연구도 우리 연구실에서 활발히 연구 중인 분야 중 하나입니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

우선 여태껏 아무도 몰랐던 일을 밝혀 내고 있는 현장의 최전선에 있다는 자부심이 가장 큰 것 같습니다. 어떤 일을 함에 있어서 사람 마다 기쁨을 느끼는 포인트가 제각각이겠습니다만은, 저의 경우에는 비록 큰 일이 아닐지라도, 무언가 새로운 것에 대해 탐구하고, 알아낸 일을 다른 사람들에게도 전달하는 일에 보람을 느끼는 편인 것 같습니다. 감사하게도 2014년 서울에서 개최된 ISME 학회에 참여할 기회가 생겨 담수 박테리아의 배양에 대한 포스터 발표를 하였는데, 같은 분야를 연구하고 있는 세계의 수많은 연구자들이 제 연구에 관심을 가져 주어서 많이 뿌듯했던 기억이 있습니다. 요즘에는 SNS에서 해외학자들 간의 교류도 활발히 이루어 지고 있어 눈여겨 살펴 보고 있는데, 논문이 완성되었을 때 트위터를 통해 그때 알게 된 다양한 나라의 연구자들이 축하해주었던 것도 인상적인 경험이었습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

상대적으로 실험 결과가 나오는 데에 시간이 오래 걸리는 편이고, 때로는 길이 명확히 보이지 않아 공부할 것과 해야 할 실험들이 무한히 늘어나는 것처럼 보일 때가 있습니다. 그래서 무엇보다도 열정과 성실함, 꾸준함이 필요한 분야인 것 같습니다. 하지만 그렇기 때문에 그 과정이 매력적인 것 같고 그만큼 무언가 성취해 냈을 때 보람도 큰 분야인 것 같습니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

이번에 논문이 나온 acI 박테리아가 가지고 있는 여러 가지 재미있는 점에 대해 본격적으로 연구해 보고 싶습니다. 대표적으로, 이 박테리아 그룹은 세부적인 13개의 하위 그룹들로 구성이 되어 있는데 그 각각의 분포도가 계절과 물 깊이에 따라 뚜렷이 구분되어 나타납니다. 이들의 생리적 특징과 물 특성을 관련 지어 생각해 볼 수 있을 것 같습니다. 그 외에도 연구를 할 수록 이 박테리아는 생태적, 생리적, 유전체적으로 독특한 부분이 많은 것 같습니다. 이제 겨우 제대로 연구할 수 있는 재료가 확보되었으니 앞으로 이에 대해 계속 공부할 수 있다면 좋을 것 같습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

우선 학부연구생 시절부터 현재 박사과정까지 저를 지금까지 이끌어주신 조장천 교수님께 감사의 말씀을 드리고 싶습니다. 동고동락하며 큰 도움을 주는 실험실 식구들에게도 고맙다는 말 전하고 싶습니다. 그리고 늘 믿음으로 지지해주시는 아버지, 어머니, 동생에게도 사랑과 감사의 마음을 전합니다.

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 등록일 2019-05-28
Category: Microbiology, Ecology
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