메탈로스파에라 하코넨시스
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1. 개요
메탈로스파에라 하코넨시스는 1996년 일본 하코네 국립공원의 온천에서 처음 분리된 고세균의 일종이다. 이 고세균은 황 산화를 에너지원으로 사용하며, 50°C에서 80°C 사이의 온도와 pH 1.0에서 4.0 사이의 극한 환경에서 생존한다. M. hakonensis는 유전체 분석을 통해 요소 분해 효소, 할로아세테이트 탈할로겐화 효소, 말레일아세테이트 환원 효소 유전자를 가지고 있음이 밝혀졌으며, 극한 환경 생물 연구, 환경 정화, 의학적 응용 등 다양한 분야에서 중요성을 가진다.
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| 메탈로스파에라 하코넨시스 - [생물]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 이전 명칭 | Sulfolobus hakonensis |
| 분류 | |
| 역 | 고균 |
| 문 | 테르모프로테오타 |
| 강 | 테르모프로테이 |
| 목 | 술폴로부스목 |
| 과 | 술폴로부스과 |
| 속 | 메탈로스파에라속 |
| 종 | 메탈로스파에라 하코넨시스 |
2. 역사
(내용 없음)
2. 1. 발견 및 분류
''메탈로스파에라 하코넨시스''는 1996년 일본 가나가와현 하코네 국립공원의 온천에서 타카야나기 등에 의해 처음 분리되었다.[1] 처음에는 ''설포로부스'' 속으로 분류되었으며,[1] 타카야나기 등은 이 생물이 ''설포로부스'' 종과 92%의 유전자 유사성을 가진다고 판단했다.[1] 그러나 2003년 쿠로사와 등은 유전자 검사를 통해 이 생물이 실제로는 ''메탈로스파에라'' 속에 속한다는 사실을 밝혀냈다.[2] 쿠로사와 등의 연구 결과, 이 생물은 ''메탈로스파에라'' 속의 다른 종들과 98%라는 높은 유전자 유사성을 나타냈다.[1][2] 또한 쿠로사와 등은 더 정확한 고성능 액체 크로마토그래피 방법을 사용하여 ''메탈로스파에라'' 속의 특징인 G+C 함량(43.29%)을 새롭게 확인하여 재분류를 뒷받침했다.[2]3. 분리 및 배양
다카야나기 등은 일본 가나가와현 하코네 국립공원의 온천에서 pH 1.5, 온도 91.5°C의 물 샘플을 채취하여 ''메탈로스파에라 하코넨시스''를 처음으로 분리하였다.[1] 이후 특정 배양 과정을 거쳐 순수한 균주를 얻었다.[1]
3. 1. 배양 조건
다카야나기 등은 일본 가나가와현 하코네 국립공원의 온천에서 pH 1.5, 온도 91.5°C인 물 샘플을 채취했다.[1] 이 샘플을 1:10 비율로 희석하고, ''설포로부스'' 종 배양에 사용되는 것으로 알려진 변형된 Allen 배지를 첨가하여 70°C에서 약 1주일 동안 배양했다.[1] 이후, 이 샘플을 Allen 배지로 1:9 비율로 다시 희석하여 Allen 배지가 포함된 1.0% Geltrite 플레이트에 도말했다.[1] 70°C에서 배양한 후, ''M. hakonensis''의 단일 콜로니를 신선한 배양액에 접종하고, 배양 및 도말하는 과정을 반복하여 순수한 고세균을 분리했다.[1]4. 생장 및 생리학적 특징
''M. hakonensis''는 50°C에서 80°C 사이의 온도와 pH 1.0에서 4.0 사이에서 성장할 수 있다.[1] 최적 성장 조건은 70°C와 pH 3.0이다.[1]
4. 1. 형태 및 운동성
''M. hakonensis''는 그람 음성균이며, 세포는 지름 0.9 ~ 1.1 μm 크기의 구형 또는 불규칙한 다면체(엽상 세포) 모양을 하고 있다.[1] ''메탈로스파에라'' 속의 다른 종인 ''M. prunae'' 등 일부는 편모를 이용하여 이동할 수 있으나, ''M. hakonensis''는 편모가 없어 운동성을 가지지 않는다.[2]5. 유전체학 및 생태학
''M. hakonensis''는 유전적으로 ''Metallosphaera prunae'', ''Metallosphaera sedula'', ''Metallosphaera yellowstonensis''와 가깝다.[2] 16S rRNA 서열을 비교했을 때, 다른 ''Metallosphaera'' 속의 미생물들과 98%의 높은 유사성을 보인다.[2]
5. 1. 유전자 구성
M. hakonensis는 약 2.3 Mbp 길이의 게놈을 가지며, 이온 토렌트 시퀀싱을 통해 결정된 G+C 함량은 43.29%이다. 게놈 서열은 Newbler v. 2.8 소프트웨어를 사용하여 조립되었다.[3][4] M. hakonensis의 게놈 분석은 Joint Genome Institute의 유전자 호출 방법과 IMG의 주석 파이프라인을 통해 이루어졌으며, 그 결과 3,357개의 단백질 코딩 유전자와 57개의 RNA 유전자를 포함하는 것으로 확인되었다.[3]게놈 시퀀싱을 통해 M. hakonensis가 특정 효소들을 코딩하는 유전자를 가지고 있다는 사실이 밝혀졌다. 주요 유전자들은 다음과 같다.
- 요소 분해 효소 유전자: A 및 B 서브유닛에 대한 유전자가 모두 존재한다.[3] 요소 분해 효소는 요소를 암모니아와 탄산 수소염으로 분해하는 반응을 촉매한다.[5]
- 할로아세테이트 탈할로겐화 효소 유전자: 이 효소는 할로아세테이트를 글리콜산과 할로겐화물 이온(예: 플루오르화물)으로 전환하는 반응을 촉매한다.[3]
- 말레일아세테이트 환원 효소 유전자: 할로겐화 방향족 유기 화합물의 생물학적 분해 과정에서 핵심적인 역할을 수행하는 효소를 코딩한다.[6][3]
5. 2. 생태
Metallosphaera 속에 속하는 유기체는 화산 지대[7] 및 광산의 뜨거운 폐기물과 같은 극한 환경에서 발견된다.[8]6. 대사
''M. hakonensis''는 황 산화를 주요 에너지원으로 사용하는 절대 호기성 화학 독립 영양 생물이다.[1]
6. 1. 에너지원
''M. hakonensis''는 황 산화를 주요 에너지원으로 사용하는 절대 호기성 화학 독립 영양 생물이다.[1] 다른 ''Metallosphaera'' 종처럼 효모 추출물(당류 제외), L-글루탐산, L-트립토판, 말토스, 원소 황, 그리고 황화수소와 같은 황 화합물을 에너지원으로 이용할 수 있다.[1][2] 하지만 L-글루탐산, L-트립토판, 말토스가 포함된 배지에서는 성장이 부진한 편이다.[1] ''M. hakonensis''의 독특한 점은 FeS 클러스터와 황 음이온인 테트라티오네이트 (O6S42-)를 에너지원으로 활용할 수 있다는 것이다.[2]7. 중요성
''메탈로스파에라 하코넨시스''(Metallosphaera hakonensis|M. hakonensisla)는 호열성균과 호산성균의 특성을 모두 나타내는 극한 미생물로서, 극한 환경에 적응한 생명체의 특성을 연구하는 데 중요한 모델 생물이다.[1] 극한 환경에서 생존하는 생물은 생명의 나무에서 최후 보편 공통 조상(LUCA)과 상대적으로 더 가깝다고 여겨지기 때문에, ''M. hakonensis'' 연구는 초기 생명 진화 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.[9] 이 생물의 유전체 정보는 LUCA와 유사한 유전체를 재구성하려는 연구에 기여하며,[9] 진화 생물학 발전과 LUCA 및 그 초기 환경에 대한 이해를 심화시키는 데 도움을 준다.[9]
또한, ''M. hakonensis''와 같은 극한 생물 연구는 우주생물학 분야에서도 큰 의미를 갖는다.[9] 지구 생명체가 초기에 무산소 환경, 얇은 대기, 극한 온도 등 혹독한 조건에서 시작되었을 가능성이 제기되며,[9] 다른 행성의 극한 환경에서도 생명체가 존재할 수 있다는 가설을 탐구하는 데 중요한 기초 자료를 제공한다.[10]
더불어 ''M. hakonensis''의 유전체 분석을 통해 밝혀진 특정 효소 유전자들(예: 말레일아세테이트 환원 효소, 요소 분해 효소 등)은 환경 정화 기술 개발이나 새로운 의약품 개발 가능성을 탐색하는 데 활용될 수 있다.[3][6][11][12][13][14][15]
7. 1. 진화 및 우주 생물학 연구
''메탈로스파에라 하코넨시스''(M. hakonensis)는 호열성균과 호산성균의 특성을 모두 나타내는 극한 미생물이다.[1] ''M. hakonensis'' 연구는 극한 생물이 대부분의 다른 생물보다 생명의 나무에서 "보편적 조상"과 더 밀접하게 연관되어 있다고 여겨지기 때문에 중요하다.[9] 이 생물의 염기 서열 분석 데이터는 최후 보편 공통 조상(LUCA)과 유사한 유전체를 재구성하려는 시도에 기여한다.[9] 극한 생물에 대한 연구는 진화 생물학 분야의 발전을 촉진하고, LUCA와 그 초기 발달 환경에 대한 이해를 넓히는 데 도움을 줄 수 있다.[9]또한, 우주생물학 분야에서도 극한 생물 연구는 큰 의미를 지닌다.[9] 지구상의 생명체는 초기에 무산소 환경, 얇은 대기, 그리고 현재의 화성과 유사한 극한 온도 조건에서 시작되었을 것으로 추정된다.[9] 광활한 우주와 수많은 행성계를 고려할 때, 지구 외 다른 환경에도 생명체가 존재할 가능성이 제기된다. 많은 행성이 극한 환경을 가지고 있는 만큼, ''M. hakonensis''와 같은 극한 생물 연구는 과학자들이 생명체의 발달에 필요한 환경 조건을 추론하고, 외계 생명체가 다른 행성의 진화에 미칠 수 있는 역할에 대한 가설을 세우는 데 중요한 단서를 제공한다.[10]
염기 서열 분석 결과, ''M. hakonensis''는 할로겐화 방향족 유기 화합물의 생물학적 분해에 관여하는 말레일아세테이트 환원효소 유전자를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.[3][6] 이는 특정 환경 오염 물질 분해 능력과 관련된 진화적 적응을 시사할 수 있다.[11][12] 또한 ''M. hakonensis''의 유전체 데이터는 요산 분해효소 유전자의 존재를 보여주는데, 이 효소는 ''헬리코박터 파일로리''와 같은 일부 병원성 세균 및 곰팡이의 생존 및 독성과 관련이 있는 것으로 알려져 있다.[13][3][14] 이러한 유전자 연구는 생물의 생화학적 기능과 진화 과정을 이해하는 데 기여한다.[14][15]
7. 2. 환경 정화 및 의학적 응용
''M. hakonensis''의 게놈 분석 결과, 할로겐화 방향족 화합물의 생물학적 분해에 중요한 역할을 하는 말레일아세테이트 환원 효소 유전자가 발견되었다.[3][6] 최근 연구에 따르면 할로겐화 방향족 화합물은 식품 오염의 원인이 되기도 하며,[11] 벤젠 유도체들은 BTEX 오염 물질로 알려져 공기를 포함한 다양한 환경을 오염시키는 것으로 나타났다.[12] 따라서 말레일아세테이트 환원효소에 대한 연구는 이러한 방향족 유기 화합물로 인한 환경 오염 문제를 해결하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, ''M. hakonensis''는 할로아세테이트 탈할로겐화 효소 유전자도 가지고 있는데,[3] 이 효소는 할로아세테이트를 글리콜산과 할로겐화물 이온으로 분해하는 역할을 한다.[3] 이는 특정 환경 오염 물질 제거에 활용될 가능성을 시사한다.''M. hakonensis''의 게놈에는 요소 분해 효소 유전자도 존재한다.[3] 이 효소는 요소를 암모니아와 탄산 수소염으로 분해하는 반응을 촉진한다.[5] 요소 분해 효소는 ''헬리코박터 파일로리''와 같이 위장에 감염을 일으키는 병원성 세균에서 흔히 발견되는 독성 인자이다.[3] 이 세균은 매년 약 14,500명의 사망 원인이 되는 흔한 감염균이다.[13] 요소 분해 효소는 위장의 산성 환경에서 암모니아를 생성하여 국소적인 pH를 높임으로써 병원균이 생존하고 증식할 수 있는 환경을 만든다.[14] 최근 연구에서는 요소 분해 효소가 ''크립토코쿠스 네오포르만스''와 같은 병원성 곰팡이의 독성에도 관여한다는 사실이 밝혀졌다.[14] 이 효소는 인체의 면역 반응을 감염 제거에 효과적인 제1형(Th1) 반응에서 상대적으로 효과가 적은 제2형(Th2) 반응으로 전환시켜 숙주의 방어 능력을 약화시킨다.[14] 실제로 특정 곰팡이에서 요소 분해 효소 유전자를 제거(녹아웃)했을 때 독성이 감소하는 것이 확인되었다.[14] 이처럼 요소 분해 효소는 세균 및 곰팡이 감염 모두에서 중요한 역할을 하므로, 새로운 감염병 치료제 개발을 위한 유망한 표적으로 주목받고 있다.[15]
참조
[1]
논문
Sulfolobus hakonensis sp. nov., a Novel Species of Acidothermophilic Archaeon
1996
[2]
논문
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2003
[3]
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IMG
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[4]
논문
Metallosphaera hakonensis JCM 8857, whole genome shotgun sequencing pr - Nucleotide - NCBI
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[5]
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[6]
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[7]
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[8]
논문
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1995-01
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논문
The Origin of the Genetic Code: Matter of Metabolism or Physicochemical Determinism?
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[10]
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