박테리아: 유전자 활동을 보다 효율적으로 기록

박테리아 집단의 모든 개체가 동일한 것은 아닙니다. 어떤 개체는 세포 분열 직전에 있고, 어떤 개체는 분화 중이며, 어떤 개체는 변화하는 환경 조건에 적응하는 과정에 있습니다. 특히 병원균과 관련하여 연구자들은 박테리아 집단 내의 이러한 다양성을 최대한 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 지식은 더 나은 치료법 개발에 도움이 될 수 있습니다.

박테리아 다양성을 분석하는 데 도움이 되는 기술 중 하나는 단일 세포 전사체학입니다. 이 기술은 소전사분자(mRNA)를 이용하여 특정 시점에 특정 박테리아 집단의 개별 세포에서 어떤 유전자가 활성화되어 있는지 파악합니다. 복잡한 박테리아 집단에서도 mRNA 분석을 통해 개별 박테리아 세포가 항생제나 기타 환경 변화에 어떻게 반응하는지 파악할 수 있습니다.

저널 "Nature Protocols"에 게재

뷔르츠부르크의 율리우스 막시밀리안 대학교(JMU)와 헬름홀츠 RNA 기반 감염 연구소(HIRI)의 연구원들은 2020년에 박테리아 단일 세포 전사체학의 혁신적인 변형 방법을 개발했습니다. 이 방법은 박테리아 MATQ-seq라고 불리며 여러 가지 장점이 있습니다.

뷔르츠부르크 연구진은 이후 연구 방법을 더욱 발전시켰습니다. Nature Protocols 저널에 MATQ-seq를 이용하여 단일 박테리아 전사체를 생성하는 구체적인 지침인 단계별 프로토콜을 제시했습니다. 이 프로토콜에는 실험 및 컴퓨터 지원 데이터 분석도 포함됩니다.

프로토콜은 사용된 박테리아의 95%를 포함합니다.

"우리는 정량적 단일 세포 RNA 시퀀싱을 기반으로 한 강력한 박테리아 scRNA-seq 프로토콜을 개발했습니다."라고 JMU 분자 감염 생물학 연구소의 크리스티나 홈버거 박사는 말했습니다. 그녀는 현재 바젤 대학교 바이오젠트럼 연구원입니다. 홈버거 박사와 JMU 동료인 파비안 임달 박사는 이 연구의 제1 저자입니다.

"살모넬라 엔테리카(Salmonella enterica) 와 같은 모델 생물을 사용하여 이 방법이 매우 효율적임을 입증했습니다."라고 크리스티나 홈버거(Christina Homberger)는 설명합니다. 이 방법은 95%라는 매우 높은 세포 유지율을 달성합니다. 즉, 프로세스가 종료될 때 처음에 사용된 세포의 95%에서 개별 유전자 라이브러리가 실제로 생성된다는 것을 의미합니다. 이는 최대 70%에 달하는 손실률을 보이는 다른 프로토콜보다 상당히 높은 수치입니다.

300~600개 유전자의 활동 분석

"저희 방법은 박테리아 세포당 300~600개의 유전자 활동을 안정적으로 감지합니다. 이는 평균적으로 현재 다른 방법들이 달성하는 것보다 훨씬 더 많은 수치입니다."라고 파비안 임달은 말합니다. 기록된 유전자 활동을 바탕으로 개별 박테리아가 현재 어떤 활동을 하고 있는지, 또는 어떤 환경 조건에 적응하고 있는지 매우 쉽게 파악할 수 있습니다.

MATQ-seq를 사용하면 단일 세포 분리부터 원시 데이터 생성까지 전체 과정이 약 5일 정도 소요됩니다. 수백 개의 세포에서 추출한 소량의 샘플에 적합하며, 이 범위에서 매우 효율적이고 높은 분해능으로 작동합니다. 수십만 개에서 수백만 개의 세포에 이르는 높은 세포 처리량을 위해서는 다른 프로토콜이 더 적합하며, 세포 손실이 많고 세포당 100개 미만의 유전자만 검출되는 것을 허용해야 합니다.

협업을 위한 전 세계적으로 유일한 플랫폼

HIRI 및 IMIB 소장인 요르크 포겔 교수는 "저희 프로토콜은 다양한 박테리아 종에 대한 강력한 분석을 가능하게 하여 뷔르츠부르크에서 전 세계적으로 독보적인 미생물 단일 세포 RNA 시퀀싱 플랫폼 개발의 토대를 마련합니다."라고 설명했습니다. 이 플랫폼은 프로토콜과 전문 지식을 통합하여 다른 연구자와 실험실에서도 이 기술을 활용할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다.

새로운 플랫폼의 이름은 미생물 단일 세포 RNA-seq 센터(MICROSEQ)입니다. "이 플랫폼은 저희가 개발한 기술과 개별 박테리아의 전사체 분석을 위해 확립된 다른 고처리량 분석법을 기반으로 합니다." 앞으로 전 세계 연구진이 박테리아 세포의 단일 세포 전사체 분석 기술을 활용할 수 있게 될 것입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250508113146.htm