듀크 생의학 엔지니어들이 박테리아 DNA의 성공 비결을 발견했습니다.

연구자들은 그들의 새로운 모델이 다른 사람들이 병원체의 항생제 내성이나 깨끗한 환경 오염을 위해 자란 박테리아의 대사 능력과 같은 중요한 특성이 주어진 환경에서 어떻게 확산되고 성장할 것인지 더 나은 모델을 만들고 예측할 수 있는 토대를 마련할 수 있기를 바라고 있습니다.

결과는 Nature Communications 저널에 11월 4일 온라인으로 게재됩니다.

듀크 대학교의 생의학 엔지니어들은 잠재적으로 유익한 플라스미드라고 불리는 DNA 패키지가 많은 박테리아 종을 포함하는 복잡한 환경을 통해 순환하고 축적될 수 있는 방법을 모델링하는 새로운 방법을 개발했습니다. 또한 이 연구를 통해 팀은 일단 측정하고 계산하면 플라스미드가 특정 집단에서 계속 번성할지 아니면 점차적으로 망각될지 여부를 예측할 수 있는 "지속성 잠재력"이라는 새로운 요소를 개발할 수 있었습니다.

연구자들은 그들의 새로운 모델이 다른 사람들이 병원체의 항생제 내성이나 깨끗한 환경 오염을 위해 자란 박테리아의 대사 능력과 같은 중요한 특성이 주어진 환경에서 어떻게 확산되고 성장할 것인지 더 나은 모델을 만들고 예측할 수 있는 토대를 마련할 수 있기를 바라고 있습니다.

결과는 Nature Communications 저널에 11월 4일 온라인으로 게재됩니다.

박테리아는 생존에 중요한 유전자를 부모로부터 자손에게 물려주는 다윈주의적 과정 외에도 수평적 유전자 전달이라는 과정에도 참여합니다. 박테리아는 플라스미드라고 불리는 유전 물질의 다양한 패키지를 서로 교환함으로써 종 전체에 걸쳐 새로운 능력을 위한 유전적 조리법을 지속적으로 공유하고 있습니다.

듀크대 생물의학공학 교수 Lingchong You는 “단지 한 병의 바닷물을 조사한 결과 160종의 박테리아 종이 180종의 플라스미드를 교환하고 있었습니다.”라고 말했습니다. “단 한 병의 물이라도 플라스미드 이동성을 모델링하는 현재 방법을 사용하면 전 세계의 총체적인 컴퓨팅 성능을 훨씬 능가할 것입니다. 우리는 최종 결과를 정확하게 예측하는 능력을 유지하면서 모델을 단순화하는 시스템을 개발했습니다.”

그러나 이러한 유전적 패키지 중 하나가 특정 인구나 환경 전체에 걸쳐 공통적으로 나타날 가능성은 확실하지 않습니다. 이는 패키지가 얼마나 빨리 공유되는지, 박테리아가 얼마나 오랫동안 생존하는지, 새로운 DNA가 얼마나 유익한지, 그러한 이점에 대한 절충점 등 다양한 변수에 따라 달라집니다.

그러한 유전자 패키지의 운명을 예측할 수 있으면 많은 분야, 특히 항생제 내성의 확산과 이에 대처하는 방법에 도움이 될 수 있습니다. 그러나 실제와 같은 시나리오에서 이를 수행하는 데 필요한 모델은 해결하기에는 너무 복잡합니다.

You는 “우리가 수학적으로 모델링할 수 있었던 가장 복잡한 시스템은 세 개의 플라스미드를 공유하는 세 종의 박테리아입니다.”라고 말했습니다. "그리고 그때에도 우리는 방정식을 생성하기 위해 컴퓨터 프로그램을 사용해야 했습니다. 그렇지 않으면 필요한 용어의 수를 너무 혼동하게 될 것이기 때문입니다."

새로운 연구에서 You와 그의 대학원생 Teng Wang은 더 많은 종과 플라스미드가 추가됨에 따라 모델의 복잡성을 크게 줄이는 새로운 프레임워크를 만들었습니다. 전통적인 접근 방식에서는 각 개체군을 운반하는 플라스미드에 따라 여러 하위 개체군으로 나눕니다. 그러나 새로운 시스템에서는 이러한 하위 모집단의 평균을 단일 모집단으로 계산합니다. 이는 새로운 박테리아와 플라스미드가 기하급수적으로 추가되기보다는 선형 방식으로 증가하는 변수의 수를 대폭 줄입니다.

이 새로운 접근법을 통해 연구자들은 플라스미드가 주어진 집단에서 지속될지 여부를 예측할 수 있는 단일 지배 기준을 도출할 수 있었습니다. 이는 다섯 가지 중요한 변수를 기반으로 합니다. 즉, 새로운 DNA를 갖는 박테리아의 비용, DNA가 손실되는 빈도, 인구가 인구를 통과하는 플럭스에 의해 인구가 얼마나 빨리 희석되는지, DNA가 박테리아 간에 얼마나 빨리 교환되는지, 얼마나 빨리 인구 전체가 증가하고 있습니다.

이러한 변수에 대한 측정을 통해 연구자들은 모집단의 "플라스미드 지속성"을 계산할 수 있습니다. 그 숫자가 1보다 크면 유전자 패키지는 생존하고 확산되며 숫자가 높을수록 풍부해집니다. 1개 미만이면 망각 속으로 사라질 것입니다.

Wang은 “모델이 단순화되었음에도 불구하고 특정 제약 조건 하에서는 상당히 정확하다는 사실을 발견했습니다.”라고 말했습니다. "새로운 DNA가 박테리아에 너무 큰 부담을 주지 않는 한, 우리의 새로운 프레임워크는 성공할 것입니다."

당신과 Wang은 각각 서로 다른 종류의 박테리아와 교환을 위한 유전자 패키지를 사용하는 소수의 서로 다른 합성 공동체를 엔지니어링하여 새로운 모델링 접근 방식을 테스트했습니다. 실험을 실행한 후 그들은 결과가 이론적 프레임워크의 기대치에 매우 잘 맞는다는 것을 발견했습니다. 그리고 더 나아가 연구자들은 이전에 발표된 13개의 논문에서 데이터를 가져와 그 숫자도 분석했습니다. 이러한 결과는 또한 새로운 모델을 뒷받침했습니다.

"플라스미드 지속성 기준은 우리에게 이를 사용하여 새로운 응용 분야를 안내할 수 있다는 희망을 줍니다"라고 You는 말했습니다. “특정 기능을 달성하기 위해 유전적 흐름을 제어함으로써 연구자들이 미생물군집을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또는 항생제 내성을 담당하는 박테리아 개체군에서 특정 플라스미드를 제거하거나 억제하기 위해 어떤 요소를 제어할 수 있는지에 대한 지침을 제공할 수 있습니다."

이 연구는 국립보건원(R01A1125604, R01GM110494)과 David and Lucile Packard Foundation의 지원을 받았습니다.

인용: "전이 가능한 플라스미드의 지속 가능성", Teng Wang 및 Lingchong You. 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications), 2020년 11월 9일. DOI: 10.1038/s41467-020-19368-7

(다) 듀크대학교 

원본 기사 출처: WRAL TechWire