과학자들은 뇌 분자를 사용하여 개미 행동을 재프로그램합니다.

가위개미 군집과 같은 진사회성 초유기체에서는 체형과 크기에 따라 노동이 분담되지만, 펜실베이니아 통합 지식 대학교(Penn Integrates Knowledge University)의 셸리 버거 교수와 그녀의 연구팀은 분자 신호가 이러한 청사진을 뒤집을 수 있다는 것을 발견했습니다. 이들의 발견은 간단한 신경펩타이드가 어떻게 개미의 행동을 재프로그램하여 자연에서 가장 엄격한 노동력의 역할을 재편할 수 있는지를 보여줍니다. 사진 제공: 티어니 스카파

잠들지 않는 도시의 밝은 불빛에서부터 사람들이 밤새도록 분주하게 움직여 지하철과 서버, 공급망을 가동하는 곳, 개미들이 엇갈린 선으로 윙윙거리는 속삭임처럼 어두운 열대 우림의 지하층까지, 지구상에서 가장 복잡한 사회는 24시간 협력과 세밀하게 조정된 역할에 달려 있습니다.

아타 세팔로테스 ( Atta cephalotes ), 즉 잎꾼개미의 모든 역할은 턱의 곡선부터 몸집까지 형태학적으로 미리 정해져 있으며, 이는 정확한 분업을 의미합니다. 거대한 메이저 개미는 파수꾼 역할을 하며, 출입구를 순찰하고 침입자를 물리칩니다. 약간 더 작은 미디어 개미는 민첩한 마이너 개미, 즉 군집 관리자이자 돌봄꾼을 위해 잎사귀를 수확합니다. 가장 작은 단계에서는 핀만 한 미니마 개미가 균류 정원을 손질하고 새끼들을 돌봅니다.

펜실베이니아 대학교의 셸리 버거가 이끄는 연구진은 잎꾼개미의 유전 암호의 핵심 요소를 밝혀내어, 개미의 임무를 재프로그램하기 위해 조절할 수 있는 두 가지 신호 분자를 정확히 찾아냈습니다. 중앙개미에서 증가된 갑각류 심장활성 펩타이드(CCAP)는 잎 수확 작업을 촉진하며 다른 아계에서도 유사한 행동을 유도할 수 있습니다. 그러나 메이저개미에 풍부한 뉴로파신-A(NPA)는 애벌레의 보살핌을 억제하고 방어 순찰과 관련이 있으며, NPA 수치를 낮추면 보살핌 행동을 유도합니다.

연구진은 Cell 에 연구 결과를 보고하면서 놀라운 유사점도 발견했습니다. 잎절단개미의 노동 분업을 제어하는 ​​유전자 발현 패턴이 유사사회성 벌거벗은두더지쥐(유사하게 협력적인 육아를 하는 포유류)의 패턴과 유사했습니다. 이는 6억 년 이상 된 수렴적 분자 메커니즘을 암시합니다.

"개미의 유모와 채집 동물 사이의 유전자 조절이 벌거숭이두더지쥐 포유류와 유사하다는 사실에 놀랐습니다. 이는 예상치 못한 일이었습니다."라고 펜실베이니아 대학교 인문학부와 페렐만 의과대학에서 교수로 재직 중인 다니엘 S. 오크 펜 통합 지식 대학 교수 버거는 말합니다. "개미를 대상으로 한 이번 연구 결과는 단일 신경펩타이드가 어떻게 행동을 극적으로 변화시킬 수 있는지를 보여주는데, 이는 인간의 사회적 행동에도 적용될 수 있습니다. 물론 인간은 훨씬 더 복잡한 존재이기는 하지만요."

목수에서 잎꾼까지

채집자와 병사라는 두 가지 역할로 구성된, 비슷하지만 더 단순한 사회 조직을 가진 목수개미에 대한 이전 연구를 바탕으로, 연구팀은 잎절단개미의 여러 가지 신경펩타이드를 조사하여 이러한 원리가 어떻게 메이저, 미디어, 마이너, 미님이라는 더욱 미묘한 4개 하위 계급 구조로 확장되는지 알아냈습니다.

연구진은 개미가 잎, 애벌레, 또는 곰팡이와 어떻게 상호작용하는지 관찰할 수 있는 3D 프린팅 행동 챔버를 제작했습니다. 이 챔버는 비디오 분석을 통해 행동을 추적하고 정량화할 수 있도록 했으며, 개미의 CCAP와 NPA 수치 변화가 어떻게 할당된 작업에 극적이고 재현 가능한 변화를 유도하는지 보여주었습니다.

"일반적으로 특정 카스트에서 특정 신경펩타이드가 더 풍부하기 때문에 각 카스트의 뇌에서 신경펩타이드 수치를 살펴보았습니다."라고 로체스터 대학교 조교수이자 버거 연구실의 전 박사후 연구원인 칼 글라스타드는 설명합니다. "메이저스에서는 잎꾼개미 행동을 결정하는 신경펩타이드 수치가 낮고, 젖을 먹이지 못하게 하는 신경펩타이드 수치가 높습니다. 따라서 전자를 증가시키면 잎꾼개미 행동으로 이어지고, 후자를 감소시키면 새끼를 먹이고 돌보는 행동으로 이어집니다."

글라스타드는 이러한 신경펩타이드가 일치하는 수용체에 결합되면 복잡한 신호 전달 과정을 촉발하여 마치 분자 루브 골드버그 기계처럼 유전자 네트워크를 통해 퍼져나가며, 이로 인해 개미가 한 가지 전문화된 작업에서 다른 작업으로 옮겨가게 된다고 덧붙였다.

왕국 간 분자 메커니즘

이러한 행동적 대본의 진화적 깊이와 의미를 더욱 탐구하기 위해 연구팀은 잎절단쥐 둥지의 계급적 조화를 반영하는 지하 군집을 가진 먼 진화적 사촌인 벌거벗은두더지쥐를 조사했습니다.

"처음에는 벌거숭이두더지쥐를 실험에 포함시키는 게 좀 엉뚱한 짓이라고 생각했어요." 글라스태드는 웃으며 말했다. "하지만 두 종의 뇌에서 이런 종류의 먹이 찾기와 돌봄을 담당하는 계층의 분자적 조절에 실제로 많은 유사점이 있다는 사실을 발견하고는 정말 놀랐어요."

벌거벗은 몰쥐는 개미에서 발견되는 NPA와 같은 정확한 신경펩타이드가 없지만, 연구자들은 이러한 펩타이드가 특정의 보다 보존된 수용체의 난잡함으로 인해 두 종 모두에서 공통적으로 발견되는 오래되고 보존된 경로를 여전히 활성화할 것이라는 가설을 세웠습니다.

"이 흥미로운 신경펩타이드 결과를 보고, 우리는 이 신경펩타이드가 이처럼 매우 다른 동물들에서 독특한 행동을 관리하기 위해 수렴 진화된 보존된 유전자 경로에 연결되어 있을지도 모른다는 생각을 해봤습니다."라고 글라스태드는 설명합니다. "그리고 놀랍게도 상당한 중복을 발견했는데, 개미 신경펩타이드가 벌거숭이두더지쥐 뇌의 내인성 수용체를 활성화시킬 수 있을 정도였습니다. 이러한 예상치 못한 수렴을 발견한 것은 정말 멋진 일이고, 솔직히 말해서 우연이었습니다."

인슐린 조절 경로의 새로운 역할?

또한, 이번 연구 결과는 당 대사에 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 인슐린 조절 경로와의 흥미로운 연관성을 보여줍니다.

특히 Ilp1과 같은 인슐린 유사 펩타이드는 NPA와 함께 두드러지게 발현되었으며, 이는 행동 조절에 있어서 신경 펩타이드 신호 전달과 인슐린 경로 간의 상호작용이 이전에는 알려지지 않았다는 것을 시사합니다.

"알몸두더지쥐와 잎절단개미 모두에서 인슐린과 모성 보호 행동 사이에 이러한 연관성이 있다는 것을 본질적으로 발견함으로써, 인슐린 조절 장애가 모성 보호 행동에 어떻게 영향을 미치는지 연구할 수 있는 가능성이 열릴 것으로 추측합니다."라고 버거 연구실의 대학원 연구원이자 제1저자인 막숨 피오리티는 말했습니다.

피오리티는 "이러한 연관성은 인슐린이 포유류, 잠재적으로는 인간의 양육 행동을 어떻게 조절할 수 있는지에 대한 연구에 새로운 길을 열어줄 것"이라며, 당뇨병과 같은 인슐린 저항성 장애가 산모의 정신 건강과 산후 우울증에 영향을 미칠 수 있다고 말했다.

수명 가소성으로 확장

앞으로 버거 연구팀은 행동과 관련된 생물학적 가소성의 지속성을 탐구하고자 합니다. 또한 생식 개미 여왕이 번식하지 않는 일개미보다 훨씬 오래 살기 때문에, 연구 범위를 노년기 회춘 및 수명 가소성으로 확장하는 데에도 관심을 두고 있습니다.

버거는 유전자 활동이 DNA를 변화시키지 않고 어떻게 켜지거나 꺼질 수 있는지에 대한 연구인 후성유전학이 행동 가소성뿐만 아니라 수명 가소성도 이해하는 강력한 방법을 제공한다고 믿습니다.

"우리는 재프로그램된 행동이 얼마나 오래 지속되는지, 그리고 장수하는 여왕벌의 경로는 무엇인지에 매우 관심이 있습니다."라고 그녀는 말합니다. "저는 두 현상 모두 포유류와 인간 생물학, 특히 우리가 연구하고 있는 행동 가소성과 수명의 장기적인 영향에 있어 매우 중요한 관심사라고 생각합니다."

수명 가소성에 대한 미래 연구에 대해 이야기하면서, 피오리티는 연구실에 있는 다른 개미 종 중 하나가 놀라운 수명 가소성을 가지고 있다고 언급했습니다. "그냥 행동만 바꾸는 것이 아니라, 장수하는 여왕과 수명이 짧은 일개미로 바뀔 수도 있습니다."

"우리는 개미 행동 모델과 벌거벗은 두더지쥐를 비교하고 있으며, 개미와 벌거벗은 두더지쥐의 수명 가소성을 이해하는 데도 관심이 있습니다."라고 피오리티는 말합니다.

주요 내용

• 예술과학대학과 Perelman 의대의 Penn Integrates Knowledge 교수인 Shelley Berger가 이끄는 연구원들은 잎절단개미와 벌거벗은두더지쥐와 같은 공동생활 유기체가 사회 내에서 노동을 어떻게 나누는지에 대한 유전적 기초를 탐구합니다.
• 그들은 수억 년 전의 경로가 동물계 전반에 걸쳐 보존된다는 사실을 발견했습니다.
• 그들의 연구 결과는 복잡한 사회적 행동의 기원과 할당된 역할의 신경 가소성에 대한 근본적인 통찰력을 제공합니다.

셸리 버거는 펜실베이니아 대학교 예술과학대학의 페렐먼 의과대학과 생물학대학의 세포 및 발달생물학과에서 다니엘 S. 오크 대학 교수로 재직 중이며, 펜실베이니아 대학교 에피제네틱스 연구소 소장입니다.

칼 글라스타드는 로체스터 대학교의 생물학 조교수이며, 이전에는 버거 연구실의 박사후 연구원이었습니다.

막섬 피오리티는 펜실베이니아 의대의 박사과정 학생이며, 버거 연구실의 연구원입니다.

다른 저자로는 Penn Perelman School of Medicine의 Michael B. Gilbert, Matan Sorek, Tierney Scarpa, Freddy S. Purnell, Daniel Xu, Josue Baeza, Richard Lauman, Balint Z. Kacsoh 및 Roberto Bonasio가 있습니다. Talus Bioscience의 Lindsay K. Pino; 로체스터 대학교의 Anatoly Korotkov, Ali Biashad, Andrei Seluanov 및 Vera Gorbunova; École Polytechnique Fédérale de Lausanne의 Anastasiia Filippova와 Mackenzie W. Mathis; 워싱턴 대학교 의과대학의 Benjamin A. Garcia.

본 연구는 미국 국립보건원(펠로십 F32GM120933 및 F31AG072777-03; 보조금 NIA R01 AG055570, AG047200 및 NIMH R01 MH131861)과 주커먼 STEM 리더십 박사후 프로그램, 휴먼 프런티어 과학 프로그램의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250625012443.htm