맨위로가기

화학주성

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

화학주성은 세포가 화학 물질의 농도 기울기에 따라 이동하는 현상으로, 19세기 말 세균과 섬모충 연구를 통해 처음 밝혀졌다. 유인 물질은 세포를 끌어당기고, 기피 물질은 밀어내는 역할을 하며, 세균은 편모의 회전 방향을 조절하여 화학 물질의 농도 변화를 감지하고 유리한 방향으로 이동한다. 진핵 세포는 세포막의 수용체를 통해 공간적인 농도 기울기를 감지하며, 화학운동성, 합토택시스, 괴사주성과 같은 다양한 이동 반응을 보인다. 이러한 과정은 G 단백질 결합 수용체, 포르밀 펩타이드 수용체, 케모카인 수용체 등을 통해 이루어지며, 다양한 분석 기술을 통해 측정된다. 화학주성은 감염, 면역 질환, 암 전이 등 다양한 질병과 관련 있으며, 수학적 모델과 인공 화학주성 시스템 연구를 통해 이해와 응용 범위를 넓히고 있다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 막관통 수용체 - 세포 표면 수용체
    세포 표면 수용체는 세포 외부 신호를 세포 내로 전달하여 생리적 기능을 조절하며, 이온 채널 연결 수용체, 효소 연결 수용체, G 단백질 연결 수용체 등으로 분류되고, 기능 이상 시 질병을 유발하며 약물 개발의 표적이 되기도 한다.
  • 막관통 수용체 - 효소 연결 수용체
    효소 연결 수용체는 세포 외부 신호에 반응하여 세포 내 신호 전달 경로를 활성화하는 세포 표면 수용체의 한 종류이며, 티로신 키네이스 또는 구아닐산 고리화효소와 같은 효소 활성을 통해 다양한 리간드와 결합하여 신호 전달을 조절한다.
  • 지각 - 마음
    마음은 의식, 사고, 지각, 감정, 동기, 행동, 기억, 학습 등을 포괄하는 심리적 현상과 능력의 총체이며, 다양한 분야에서 연구되고 인간 삶의 중추적인 역할을 한다.
  • 지각 - 비판적 사고
    비판적 사고는 정보를 객관적으로 분석하고 평가하여 합리적인 결론을 도출하는 사고 과정이며, 문제 해결, 의사 결정, 메타인지 등을 포함하고 오류를 피하며 이해하려는 노력을 강조한다.
화학주성
개요
정의화학적 자극에 대한 유기체 또는 개체의 운동
관련 용어주성
유주성
상세 정보
특징세포가 화학 물질 농도에 따라 움직이는 현상
메커니즘화학적 신호 감지
세포 내 신호 전달 경로 활성화
세포 운동 기구 조절
역할면역 세포의 감염 부위 이동
암 세포의 전이
신경 세포의 축삭 유도
미생물의 영양분 획득
효모의 짝짓기
관련 질병
염증 질환천식
자가면역 질환류마티스 관절염
암암

2. 화학주성 연구의 역사

화학주성 연구의 역사


세포의 이동은 레벤후크가 현미경을 개발한 초창기부터 관찰되었지만, 화학주성에 대한 학술적인 설명은 19세기 후반에 이르러서야 이루어졌다. T. W. 엥겔만(1881)과 W. F. 페퍼(1884)는 세균에서, H. S. 제닝스(1906)는 섬모충에서 화학주성 현상을 처음으로 상세히 기술했다.[10]

노벨 생리학·의학상 수상자인 I. 메치니코프 역시 1882년부터 1886년까지 이 분야를 연구하며, 화학주성이 식세포 작용의 중요한 초기 단계임을 밝혀냈다.[11] 1930년대에 이르러 화학주성의 생물학적 및 임상 병리학적 중요성이 널리 인정받기 시작했으며, 이 현상에 대한 기본적인 정의들이 이 시기에 마련되었다.

1950년대에는 H. 해리스가 화학주성 분석법의 품질 관리에 있어 핵심적인 측면들을 정립했다.[12] 1960년대와 1970년대에는 현대 세포생물학 및 생화학의 혁신적인 발전 덕분에 화학주성 반응 세포의 이동과 관련된 세포 내 메커니즘을 연구할 수 있는 새로운 기술들이 개발되었다.[13] 이러한 기술 발전은 급성 염증 반응에 관여하는 주요 화학주성 인자인 C5a의 발견으로 이어지기도 했다. J. 아들러는 페퍼의 모세관 분석법을 현대적으로 개선하고, 세균의 세포 내 신호 전달 과정을 이해하는 데 중요한 기여를 한 선구적인 연구를 수행했다.[14][15][82]

2006년 11월 3일, 케임브리지 대학교의 데니스 브레이는 대장균의 화학주성에 관한 연구 업적을 인정받아 마이크로소프트상(Microsoft Award)을 수상했다.[83][84]

3. 화학주성 유인 물질과 기피 물질

250px


화학주성 유인 물질(Chemoattractant)과 화학주성 기피 물질(Chemorepellent)은 운동성을 가진 세포에 각각 양성(+) 또는 음성(-) 화학주성을 일으키는 효과를 가진 무기 화합물 또는 유기 화합물이다.[34][89] 화학 유인 물질은 세포를 자신 쪽으로 끌어당기고, 기피 물질은 세포를 밀어낸다. 이러한 화학주성 리간드는 화학 물질의 농도 기울기를 만들어, 원핵생물과 진핵생물이 이를 따라 이동하거나 멀어지게 한다.[34]

이러한 효과는 주로 세포 표면의 화학수용체(Chemoreceptor)를 통해 나타난다. 예를 들어, 대장균(E. coli)의 경우 메틸 수용 화학주성 단백질(MCP)이라는 화학수용체가 중요한 역할을 한다.[35] 대장균의 MCP에는 Tar, Tsr, Trg, Tap 등이 있으며[36], Trg는 리보스, 갈락토스를 유인 물질로, 페놀을 기피 물질로 인식한다. Tap와 Tsr은 각각 디펩타이드와 세린을 유인 물질로 인식한다.[36] 화학주성 유인 물질이나 기피 물질이 MCP의 세포 외부 영역에 결합하면, 세포 내부로 신호가 전달되어 세포의 운동 방향에 영향을 미치는 편모의 회전을 조절한다.[35]

진핵생물의 경우, 특히 면역 세포에 대한 화학주성 유인 물질 연구가 활발하다. 세균에서 유래하는 포르밀 펩타이드(예: fMLF)나 보체계 활성화 과정에서 생성되는 C5a 등은 백혈구(호중구, 대식세포 등)를 감염 부위로 유인하는 대표적인 화학주성 유인 물질이다.[37]

화학주성 기피 물질의 작용 메커니즘은 유인 물질에 비해 덜 밝혀져 있다. 기피 물질은 생물이 회피 반응을 보이게 만든다. 예를 들어, ''Tetrahymena''나 ''Paramecium''과 같은 원생생물은 특정 농도의 GTP나 ATP를 기피 물질로 인식하고 농도 기울기로부터 멀어지는 방향으로 움직인다.[39] 일반적으로 무기 염류나 특정 아미노산, 일부 케모카인 등이 기피 물질로 작용하는 것으로 알려져 있다.

화학주성을 유발하는 분자는 매우 다양하며, 크게 1차 및 2차 화학주성 분자로 나눌 수 있다. 주요 1차 화학주성 유인 물질 그룹은 다음과 같다.

  • '''포르밀 펩타이드''': 세균에서 유래하는 짧은 펩타이드(주로 2~4개의 아미노산)로, N-말단이 포르밀화되어 있다. 세균이 파괴될 때 방출되며, 대표적인 예로 fMLF(또는 fMLP)가 있다. fMLF는 호중구와 단핵구에 강력한 화학주성 효과를 보여 염증 반응의 중요한 요소로 작용한다. 관련 수용체 정보는 포르밀 펩타이드 수용체 문서에서 확인할 수 있다.
  • '''보체 조각''': 보체계 활성화 과정에서 생성되는 C3a와 C5a가 대표적이다. 이들은 보체 활성화의 여러 경로(고전적, 렉틴 의존적, 대체 경로)를 통해 만들어지며, 주로 호중구와 단핵구를 유인한다.
  • '''케모카인''': 사이토카인의 한 종류로, 구조적 특징(특히 이황화 결합의 위치)에 따라 C, CC, CXC, CX3C 케모카인 등으로 분류된다. 각 케모카인은 특정 세포 유형에 작용하는 경향이 있다. 예를 들어, CC 케모카인(RANTES 등)은 주로 단핵구에, CXC 케모카인(IL-8 등)은 주로 호중구에 작용한다. 케모카인의 3차원 구조 분석 결과, 특정 β-시트와 α-나선 구조가 수용체와의 결합에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 일부 케모카인(예: IL-8)은 이량체를 형성하여 생물학적 활성이 증가하기도 한다.
  • '''다불포화 지방산의 대사 산물''': 아라키돈산과 같은 지방산이 효소에 의해 대사되어 생성되는 에이코사노이드 및 관련 지질 매개체들 중 다수가 화학주성 활성을 가진다.
  • ''류코트리엔'': ALOX5(5-리폭시게나제) 효소에 의해 아라키돈산으로부터 만들어지는 에이코사노이드이다. 대표적인 예인 류코트리엔 B4(LTB4)는 백혈구의 부착, 화학주성, 응집을 유도한다. LTB4는 G 단백질 연결 수용체(GPCR)인 BLT1과 BLT2를 통해 작용하며, 이 수용체들은 염증 및 알레르기 관련 세포에서 많이 발현된다.
  • ''5-하이드록시에이코사테트라에노산(5-HETE) 계열'': 역시 ALOX5에 의해 아라키돈산에서 생성된다. 5-옥소-에이코사테트라에노산(5-oxo-ETE), 5-옥소-15-하이드록시-에이코사테트라에노산, 5-하이드록시에이코사테트라에노산(5-HETE) 등이 있으며, 활성 순서는 5-oxo-ETE가 가장 높다. 이들은 호산구, 호중구, 단핵구의 화학주성을 유발하며, 옥소에이코사노이드 수용체 1(OXER1)이라는 GPCR에 결합하여 작용한다.
  • ''5-하이드록시에이코사트리에노산(5-HETrE) 및 5-옥소에이코사트리에노산(5-oxo-ETrE)'': 미드산(Mead acid)의 대사 산물로, OXER1 수용체를 통해 백혈구 화학주성을 자극한다. 특히 5-oxo-ETrE는 5-oxo-ETE만큼 강력하게 사람의 호산구와 호중구 화학주성을 유도한다.
  • ''12-하이드록시에이코사테트라에노산(12-HETE)'': ALOX12 효소에 의해 아라키돈산에서 생성되며, 류코트리엔 B4 수용체 중 하나인 BLT2를 통해 백혈구 화학주성을 자극한다.
  • ''프로스타글란딘 D2(PGD2)'': 시클로옥시게나제(COX-1 또는 COX-2)에 의해 아라키돈산에서 생성된다. 프로스타글란딘 DP2 수용체(CRTH2)를 통해 호산구, 호염기구, Th2 아형의 T 도움 세포에서 화학주성 반응을 유발한다.
  • ''12-하이드록시헵타데카트리에노산(12-HHT)'': COX-1 또는 COX-2에 의해 아라키돈산에서 생성되는 비-에이코사노이드 대사 산물로, 류코트리엔 B4 수용체인 BLT2를 통해 백혈구 화학주성을 자극한다.
  • ''15-옥소-에이코사테트라에노산(15-oxo-ETE)'': ALOX15 효소에 의해 아라키돈산에서 생성되며, 사람의 단핵구에 대해 약한 화학주성 활성을 보인다. 이 물질이 작용하는 수용체나 메커니즘은 아직 명확히 밝혀지지 않았다.

4. 세균의 화학주성

대장균과 같은 일부 세균은 세포당 여러 개(보통 4~10개)의 편모를 가지고 화학주성을 나타낸다.[85][86] 이 편모는 두 가지 방식으로 회전할 수 있다.[16]

# '''반시계 방향 회전''': 편모들이 하나의 회전하는 묶음으로 정렬되어 세균이 직선으로 헤엄치게 한다(스윔, swim).

# '''시계 방향 회전''': 편모 묶음이 풀어져 각각의 편모가 다른 방향을 가리키게 하여 세균이 제자리에서 방향을 무작위로 바꾼다(텀블, tumble).

여기서 회전 방향은 세포 밖에서 편모를 내려다보는 관찰자를 기준으로 한다.[17]

세균의 전체적인 움직임은 스윔과 텀블 단계가 번갈아 나타나는 런앤텀블 운동으로 이루어진다.[18] 따라서 균일한 환경에서 세균은 비교적 직선적인 스윔과 무작위적인 텀블이 반복되는 무작위 보행과 같은 궤적을 보인다.[19] 대장균은 스스로 수영 방향을 정할 수 없고, 회전 확산 때문에 몇 초 이상 직선으로 나아가기 어렵다. 즉, 세균은 자신이 나아가던 방향을 금방 잊어버린다.[20]

하지만 화학 물질의 농도 구배가 존재하면, 세균은 화학주성을 통해 전체적인 움직임을 조절한다. 만약 세균이 자신에게 유리한 방향(유인 물질 쪽 또는 기피 물질 반대 방향)으로 움직이고 있다고 감지하면, 텀블하기 전까지 더 오랫동안 직선으로 헤엄친다. 반대로 불리한 방향으로 움직이고 있다면 더 빨리 텀블하여 새로운 방향을 찾는다. 대장균과 같은 세균은 '''시간적 감지'''를 통해 주변 환경의 화학 물질 농도 변화를 파악하고, 이를 바탕으로 농도가 가장 높은 곳(유인 물질의 경우)이나 낮은 곳(기피 물질의 경우)을 찾아 이동한다. 매우 작은 농도 차이도 감지할 수 있다.[21]

이러한 편향된 무작위 보행은 텀블과 스윔이라는 두 가지 기본적인 운동 방식을 조절함으로써 이루어진다.[22] 개별 편모 필라멘트의 나선형 구조는 이러한 움직임에 필수적이며, 편모 필라멘트를 구성하는 단백질인 플라젤린은 편모를 가진 세균 전반에 걸쳐 잘 보존되어 있다.[23] 척추 동물은 이 보존된 플라젤린 단백질을 인식하는 면역 수용체(TLR5)를 가지고 있다.[24]

모든 세균이 이러한 방식을 따르는 것은 아니다. 예를 들어 비브리오속 등 많은 세균은 세포의 한쪽 극에 단 하나의 편모만 가지고 있으며 다른 방식의 화학주성을 보인다. 또 어떤 세균은 세포벽 안에 편모를 가지고 세포 전체를 코르크 따개처럼 회전시키며 움직이기도 한다.[25][88]

4. 1. 신호 전달

화학 기울기는 메틸 수용성 화학주성 단백질(MCP)이라고 불리는 여러 개의 막관통 수용체를 통해 감지된다.[30] MCP는 감지하는 분자에 따라 종류가 다르며[30], 세균 전체에서 수천 개의 MCP 유전자가 발견되었다.[26] 이 수용체는 유인 물질 또는 기피 물질과 직접 결합하거나 주변 세포질의 단백질과의 상호 작용을 통해 간접적으로 결합할 수 있다.[27] 이러한 수용체로부터의 신호는 원형질막을 가로질러 세포질로 전달되어 ''Che 단백질''을 활성화시킨다.[28] Che 단백질은 편모의 회전 빈도를 변경하고 수용체를 조절한다.[28]

300px


CheW와 CheA 단백질은 수용체에 결합한다. 외부 자극에 의한 수용체의 활성화는, 히스티딘 키나아제인 CheA가 고도로 보존된 하나의 히스티딘잔기에서 자가인산화되도록 유도한다.[29] CheA는 이어서 인산기를 반응 조절 인자인 CheB와 CheY의 보존된 아스파트산 잔기로 전달한다. 이 과정은 CheA가 직접 인산기를 전달하는 것이 아니라, 반응 조절 인자인 CheB와 CheY가 CheA로부터 인산기를 가져가는 방식으로 이루어진다. 이러한 신호 전달 기작은 투-컴포넌트 시스템이라고 불리며, 세균에서의 신호 전달의 일반적인 형태이다.[91] 인산화된 CheY(CheY-P)는 편모의 스위치 단백질인 FliM과 상호 작용하여, 편모의 회전을 시계 반대 방향에서 시계 방향으로 바꿈으로써 텀블링을 유도한다.[89] 하나의 편모 회전 상태가 변화하면 전체 편모 다발이 흐트러져 텀블링이 일어난다.

350px


CheB 단백질은 CheA에 의해 활성화되면 메틸에스테라아제로 작용하여 수용체의 세포질 쪽에 있는 글루탐산 잔기에서 메틸기를 제거한다.[30] 반대로 CheR은 메틸전이효소로서, 동일한 글루탐산 잔기에 메틸기를 첨가하는 길항 작용을 한다.[30] 수용체에 메틸기가 많이 붙을수록 수용체의 민감도는 낮아진다. 유인 물질의 농도가 높게 유지되면, CheA(따라서 CheY 및 CheB)의 인산화 수준이 낮게 유지되고, 세포는 부드럽게 헤엄치며, MCP의 메틸화 수준은 증가한다(인산화된 CheB(CheB-P)가 줄어 탈메틸화가 덜 일어나기 때문).[30] MCP가 완전히 메틸화되면 더 이상 유인 물질에 반응하지 않으므로, 유인 물질의 농도가 높게 유지되더라도 CheA-P(및 CheB-P)의 수준이 증가하고 세포는 텀블링을 시작한다.[30] MCP는 CheB-P에 의해 탈메틸화될 수 있으며, 이 경우 수용체는 다시 유인 물질에 반응할 수 있게 된다.[30] 기피 물질의 경우에는 상황이 반대이다. 완전히 메틸화된 MCP는 기피 물질에 가장 잘 반응하고, 최소 메틸화된 MCP는 기피 물질에 가장 약하게 반응한다.

이러한 조절 메커니즘은 일종의 피드백 회로로서, 세균이 최근 몇 초 동안의 화학 물질 농도를 '기억'하고 현재 경험하는 농도와 비교하여 기울기를 따라 이동하는지 또는 내려가는지를 '판단'할 수 있게 한다.[31] 이 제어계를 통해 세균은 넓은 농도 범위에 걸쳐 민감성을 유지할 수 있다.[92] 하지만 주어진 환경에서 민감도의 절대값을 증가시키는 다른 메커니즘도 관여하는데, 잘 알려진 예로는 CheY-P 신호에 대한 모터의 초감수성 반응과 화학 수용체의 클러스터링(밀집 현상)이 있다.[32][33]

5. 진핵생물의 화학주성

원핵생물과 진핵생물의 농도 기울기 감지 차이


진핵생물 세포가 사용하는 화학주성 메커니즘은 세균과는 상당히 다르지만, 화학 기울기 감지는 여전히 중요한 단계이다.[40] 원핵생물인 ''대장균''은 크기가 작아 농도 기울기를 직접 감지하기 어렵고,[41] 대신 이동하면서 시간에 따른 농도 변화를 감지하는 '시간적 기울기 감지' 방식을 사용한다.[42][43]

반면, 진핵생물 세포는 원핵 세포보다 훨씬 크며, 세포막 전체에 분포하는 수용체를 가지고 있다.[42] 이를 통해 진핵 세포는 세포의 양 끝에서 감지되는 농도 차이를 비교하여 '공간적 기울기'를 직접 감지할 수 있다.[42] 수용체가 화학 물질(화학 유인 물질 또는 화학 반발 물질)을 감지하고 비대칭적으로 활성화되면, 세포는 해당 물질을 향해 이동하거나 멀어지게 된다.[42] 심지어 움직이지 않는 효모 세포에서도 페로몬 기울기에 따라 세포 내 단백질들이 화학주성 방식으로 재배치될 수 있다.[44][9]

진핵 세포 역시 화학주성 기억 능력을 가지는데, 이는 국소 흥분 전역 억제(LEGI) 모델로 설명될 수 있다.[45][46] LEGI 모델은 빠른 흥분 신호(예: Ras 활성화, PIP3 생성)와 느린 억제 신호 사이의 균형을 통해 세포가 지속적인 자극에 적응하고 방향을 유지하도록 돕는다.[47]

화학주성 신호는 세포 내에서 Ras 및 PIP3의 농도 기울기를 만들고, 이는 신호 전달 경로를 활성화시켜 최종적으로 액틴 필라멘트의 중합을 유도한다. 성장하는 액틴 필라멘트는 세포막 안쪽과 연결되어 세포 앞쪽으로 가족을 형성하고 뒤쪽으로는 요족을 만들어 세포 이동을 가능하게 한다.[54][55]

진핵 세포의 이동 방식(효과기)은 다양하다. 아메바나 테트라히메나 같은 단세포 진핵생물은 아메바 운동이나 섬모, 진핵 편모를 이용해 이동한다.[48][49] 고등 척추 동물의 면역 세포를 비롯한 다양한 세포들이 특정 조건 하에서 화학주성을 통해 이동하며,[50] 이는 배아 발생 과정에서도 중요한 역할을 한다.[51][52]

진핵 세포의 섬모 역시 화학주성을 나타낼 수 있다. 이는 주로 Ca2+ 농도 변화에 의존적인 미세소관 시스템과 기저체의 작용을 통해 섬모의 움직임이 조절되는 방식으로 이루어진다. 여러 개의 섬모가 협응하여 움직이지만, 구체적인 신호 전달 경로는 아직 완전히 밝혀지지 않았다.

5. 1. 이동 반응

화학주성과 관련된 이동 반응. 1단계: 화학주성 운동. 2단계: 화학운동성 반응 (움직임이 무작위). 3단계: 합토택시스. 4단계: 괴사주성.


화학주성은 화학적 기울기에 반응하여 세포가 방향성을 가지고 이동하는 현상을 말하며, 아래와 같이 화학 물질에 의해 유도되는 다양한 이동 방식이 존재한다.

  • '''화학운동성'''(Chemokinesis)은 주변 환경의 화학 물질에 반응하여 세포의 운동성이 증가하는 현상이다. 화학주성과 달리 화학운동성에 의해 자극받는 이동은 방향성을 띠지 않으며, 대신 환경을 탐색하는 행동이 증가한다.[56]
  • '''합토택시스'''(Haptotaxis)는 화학유인 물질의 기울기가 용액 속이 아닌 표면에 발현되거나 결합된 경우에 나타나는 이동이다.[57] 가장 흔한 합토택시스 활성 표면은 세포 외 기질(ECM)이며, 여기에 결합된 리간드는 내피 세포를 통과하는 이동(경내피 이동)이나 혈관신생 유도에 관여한다.
  • '''괴사주성'''(Necrotaxis)은 화학유인 물질이 괴사 또는 세포자멸사 세포에서 방출될 때 나타나는 특별한 유형의 화학주성이다. 방출된 물질의 화학적 특성에 따라 세포를 끌어당기거나 밀어낼 수 있으며, 이는 이 현상의 생리적, 병리적 중요성을 보여준다.

5. 2. 수용체

일반적으로 진핵 세포는 7-막 관통형(또는 뱀 모양) 헤테로트리머 G 단백질 결합 수용체를 사용하여 화학 주성 자극의 존재를 감지한다. 이 수용체 종류는 게놈의 상당 부분을 차지하며[58], 시각(로돕신)이나 후각 (냄새 맡기)에도 사용되는 유전자 슈퍼패밀리의 일부이다.[59][60]

화학 주성에 특화된 주요 수용체 종류는 다음과 같은 리간드에 의해 활성화된다.

그러나 고리형 뉴클레오티드, 아미노산, 인슐린, 혈관 활성 펩타이드 등 다양한 다른 막 수용체의 활성화 역시 세포의 이동을 유발할 수 있다.[62] 진핵생물은 원핵생물과 달리 크기가 커서 농도 기울기를 직접 감지할 수 있으며, 세포 표면에 동적이고 국소적으로 분포된 화학 수용체를 통해 이를 수행한다. 화학 유인 물질이나 기피 물질에 의해 이 수용체가 활성화되면 세포는 해당 물질을 향해 이동하거나 멀어지게 된다.

수용체, 세포 내 신호 전달 경로, 효과기 메커니즘의 진화적 차이는 다양한 진핵생물의 화학주성 기작과 관련이 있다. 예를 들어, 단세포 생물에서는 아메바 운동이나 섬모, 진핵생물 편모가 주요 이동 방식이다 (예: 아메바, 테트라히메나).[95][96] 척추동물의 면역 세포 (과립구, 단핵구, 림프구)처럼 특정 장소로 이동해야 하는 세포들도 화학주성을 이용한다. 과거에는 고정되어 있다고 여겨졌던 비만 세포, 섬유아세포, 혈관 내피 세포 등도 특정 생리적 또는 병리적 조건(전이 등) 하에서 이동한다는 것이 밝혀졌다. 또한, 배아 발생 초기 단계에서 배엽 형성이 신호 분자의 농도 기울기에 따라 유도되는 과정에서도 화학주성은 중요한 의미를 가진다.

6. 화학주성의 측정

세포의 화학주성 활성이나 리간드의 화학 유인 및 반발 특성을 평가하기 위해 다양한 기술들이 개발되었다. 화학주성을 측정할 때 기본적으로 고려해야 할 사항은 다음과 같다.


  • 농도 기울기가 시스템 내에서 비교적 빠르게 형성되고 오랫동안 안정적으로 유지될 수 있어야 한다.
  • 화학주성(chemotaxis)과 화학운동성(chemokinesis) 활성을 명확히 구분할 수 있어야 한다.
  • 세포의 이동이 농도 기울기 축을 따라 자유롭게 이루어질 수 있어야 한다.
  • 측정된 반응이 세포의 능동적인 이동에 의한 결과임을 확인해야 한다.


아직 완벽히 이상적인 화학주성 분석 방법은 없지만, 위에 언급된 조건들을 상당히 만족시키는 여러 실험 프로토콜과 장비들이 개발되어 사용되고 있다. 가장 널리 사용되는 분석법들은 아래 표와 같다.

분석법 종류예시
한천 배지법
2 챔버법
기타


7. 화학주성의 임상적 의의

세포의 이동 능력 변화는 다양한 질병의 발생과 진행에 중요한 영향을 미친다.

대장균과 같은 세포 외부에서 활동하는 병원체나 리스테리아처럼 세포 내부에서 활동하는 병원체의 화학주성 능력 변화는 중요한 치료 표적이 될 수 있다. 약물을 이용해 이러한 미생물의 화학주성 능력을 조절하면 감염률을 낮추거나 감염 확산을 막는 데 도움이 될 수 있다.

감염 외에도 화학주성 이상이 주요 원인이 되는 질병이 있다. 대표적인 예로 체디악-히가시 증후군을 들 수 있는데, 이 질환은 세포 내에 비정상적으로 큰 소포가 생겨 세포의 정상적인 이동을 방해한다.

다양한 질환에서 화학주성의 변화가 관찰되며, 이는 질병의 진단이나 치료 전략 수립에 중요한 정보가 될 수 있다.

'''다양한 질환에서의 화학주성'''
질환 유형화학주성의 항진화학주성의 감소
감염증염증AIDS, 브루셀라증
화학주성이 원인이 되어 발생하는 질환-체디악-히가시 증후군, 카르타게너 증후군
화학주성에 영향을 미치는 질환죽상 경화증, 관절염, 치주염, 건선, 허혈-재관류 손상, 전이성 암다발성 경화증, 호지킨 림프종, 남성 불임
중독석면, 벤조피렌수은염, 크롬염, 오존 (O3)



이처럼 화학주성은 감염, 염증, 특정 유전 질환, 암 전이 등 다양한 병리 현상과 밀접한 관련이 있다. 따라서 화학주성 과정을 조절하는 것은 감염 질환, 면역 질환, 암 등의 새로운 치료법 개발에 중요한 표적이 될 수 있다.

8. 수학적 모델

화학주성은 다양한 수학적 모델을 통해 연구되고 있으며, 이러한 모델들은 다음과 같은 여러 요인들을 고려하여 개발된다.[101][102]


  • 이동 방식: 박테리아의 유영 방식, 섬모나 편모를 이용하는 단세포 진핵생물의 움직임, 아메바 운동 등 세포의 기본적인 이동 메커니즘 차이.
  • 리간드(화학 물질)의 물리화학적 특성: 확산과 같은 화학 물질 자체의 물리적, 화학적 성질.
  • 리간드의 생물학적 특성: 세포를 끌어당기는 유인 물질, 영향을 주지 않는 중성 물질, 밀어내는 반발 물질 등 리간드가 생물체에 미치는 영향.
  • 분석 시스템: 화학주성을 측정하고 평가하는 실험 조건 (예: 배양 시간, 농도 기울기의 형성 및 안정성).
  • 기타 환경 요인: 빛, 온도, 자기장 등 직간접적으로 세포 이동에 영향을 줄 수 있는 환경적 요소들.


위에 언급된 요인들이 복합적으로 작용하기 때문에 화학주성 모델의 해를 구하는 것은 복잡할 수 있지만, 화학주성에 의한 기본적인 운동 현상은 비교적 간단한 수학식으로 설명할 수 있다.

예를 들어, 화학 유인 물질의 공간적 농도 분포를 \varphi라고 하고, 그 농도의 기울기를 \nabla \varphi라고 표시하자. 이때 화학주성에 의해 발생하는 세포의 흐름(유동, {\bf J} )은 다음 법칙에 따라 농도 기울기와 관련된다.[73]

: {\bf J} = C \chi(\varphi) \nabla\varphi

여기서 C 는 세포의 공간적 밀도이고, \chi 는 '화학주성 계수'라고 불리는 값이다. \chi는 종종 상수가 아니며, 화학 유인 물질의 농도(\varphi)가 높아질수록 감소하는 함수인 경우가 많다( \chi(\varphi) ).

물질의 총 흐름({\bf J})과 생성 또는 소멸(S)을 고려하면, 특정 양(\rho, 예를 들어 세포 밀도나 화학 물질 농도)의 변화는 연속 방정식으로 나타낼 수 있다.

: {\partial \rho\over{\partial t}} + \nabla \cdot {\bf J} = S

여기서 \nabla \cdot ()는 발산 연산자이다. 이 일반적인 방정식은 세포 밀도와 화학 유인 물질 농도 모두에 적용될 수 있다.

따라서 세포의 확산(무작위적 이동)과 화학주성(방향성 이동)을 함께 고려하면, 세포 밀도(C)와 화학 유인 물질 농도(\varphi)의 상호작용 및 시간에 따른 변화는 다음과 같은 한 쌍의 연립 반응-확산 편미분 방정식으로 기술될 수 있다.[73]

: \begin{aligned}

{\partial C\over{\partial t}} &= f(C) + \nabla\cdot \left[D_{C}\nabla C - C\chi(\varphi)\nabla\varphi \right ] \\

{\partial \varphi\over{\partial t}} &= g(\varphi,C) + \nabla \cdot (D_{\varphi}\nabla\varphi)

\end{aligned}

여기서 f(C)는 세포 수의 증가(예: 분열)나 감소(예: 사멸)를 나타내는 항이고, g(\varphi,C)는 화학 유인 물질의 생성 또는 분해 속도를 나타내는 항이다. D_{C}와 D_{\varphi}는 각각 세포와 화학 유인 물질의 확산 계수이다. 첫 번째 방정식의 \nabla\cdot 안쪽 첫 항은 세포의 확산을, 두 번째 항은 화학주성에 의한 이동을 나타낸다.

토양 미생물의 공간 생태학은 기질과 동료 유기체에 대한 화학주성 감수성의 함수이다.[74] 박테리아의 화학주성 행동은 환경적 이질성이 없는 경우에도 비자명한 개체군 패턴으로 이어진다는 것이 입증되었다. 구조적 기공 규모의 이질성이 존재하면 나타나는 박테리아 패턴에 추가적인 영향을 미친다.

9. 인공 화학주성 시스템

인공적인 화학주성을 이용하여 스스로 움직이는 '화학 로봇'이 설계되었다.[75][76] 이러한 로봇은 몸 안에서 특정 부위로 약물 전달을 하는 등의 분야에 응용될 수 있다.[77] 최근에는 효소 분자 역시 기질의 농도 기울기에 따라 양성 화학주성, 즉 기질 농도가 높은 쪽으로 이동하는 행동을 보인다는 것이 밝혀졌다.[78] 효소가 특정 기질에 열역학적으로 더 잘 결합하려는 성질이 효소 화학주성의 원인으로 여겨진다.[79] 또한, 여러 효소가 연쇄적으로 반응하는 캐스케이드 시스템에서는 효소들이 기질에 의해 유도되어 화학주성적으로 모이는 현상도 관찰되었다.[80]

효소와 같이 화학 반응에 직접 참여하는 분자 외에도, 반응하지 않는 분자들도 화학주성적인 움직임을 보일 수 있다. 예를 들어, 염료 분자는 유리한 소수성 상호 작용을 통해 고분자 용액의 농도 기울기를 따라 특정 방향으로 이동하는 것이 확인되었다.[81]

참조

[1] 간행물 Chemotaxis
[2] 논문 Neutrophil migration in infection and wound repair: going forward in reverse 2016-05
[3] 논문 Cell motility in cancer invasion and metastasis: insights from simple model organisms 2018-05
[4] 논문 An excitable Ras/PI3K/ERK signaling network controls migration and oncogenic transformation in epithelial cells 2020-09
[5] 논문 Lymphocyte migration into atherosclerotic plaque 2015-01
[6] 논문 Importance of the leukotriene B4-BLT1 and LTB4-BLT2 pathways in asthma 2017-10
[7] 논문 Combined anti CXC receptors 1 and 2 therapy is a promising anti-inflammatory treatment for respiratory diseases by reducing neutrophil migration and activation 2015-10
[8] 논문 Monocytes in rheumatoid arthritis: Circulating precursors of macrophages and osteoclasts and, their heterogeneity and plasticity role in RA pathogenesis 2018-12
[9] 논문 Chemotactic movement of a polarity site enables yeast cells to find their mates 2021-06
[10] 웹사이트 How Cells Decide Where to Go: The Case of Bacterial Chemotaxis http://www.rpgroup.c[...] 2007
[11] 백과사전 Élie Metchnikoff https://www.britanni[...] Encyclopædia Britannica, Inc. 2024-05-12
[12] 웹사이트 Keller-Segel Models for Chemotaxis http://www.isn.ucsd.[...] University of California - San Diego 2012
[13] 논문 Interactions of the complement system with endotoxic lipopolysaccharide. Generation of a factor chemotactic for polymorphonuclear leukocytes 1968-08
[14] 논문 "Decision"-making in bacteria: chemotactic response of Escherichia coli to conflicting stimuli 1974-06
[15] 서적 E. coli in Motion https://archive.org/[...] Springer 2004
[16] 논문 Asymmetry in the clockwise and counterclockwise rotation of the bacterial flagellar motor 2010-07
[17] 웹사이트 Bacterial Chemotaxis https://www.physik.u[...]
[18] 논문 Chemotaxis in Escherichia coli analysed by Three-dimensional Tracking 1972-10
[19] 논문 Responding to chemical gradients: bacterial chemotaxis 2012-04
[20] 서적 Random walks in biology Princeton Univ. Press
[21] 논문 Responding to Chemical Gradients: Bacterial Chemotaxis 2012-04
[22] 논문 The gradient-sensing mechanism in bacterial chemotaxis 1972-09
[23] 논문 Bacterial Flagellar Filament: A Supramolecular Multifunctional Nanostructure 2021-07
[24] 논문 Flagellin: a unique microbe-associated molecular pattern and a multi-faceted immunomodulator 2017-10
[25] 서적 "E. coli" in motion Springer
[26] 논문 A census of membrane-bound and intracellular signal transduction proteins in bacteria: bacterial IQ, extroverts and introverts 2005-06
[27] 서적 Cognitive Biology: Dealing with Information from Bacteria to Minds Oxford University Press
[28] 논문 The two-component signaling pathway of bacterial chemotaxis: a molecular view of signal transduction by receptors, kinases, and adaptation enzymes 1997
[29] Youtube Chemotaxis https://www.youtube.[...] 2011-06-02
[30] 논문 Making sense of it all: bacterial chemotaxis 2004-12
[31] 서적 An Introductory Text to Bioengineering (Advanced Series in Biomechanics - Vol. 4) World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.
[32] 논문 An ultrasensitive bacterial motor revealed by monitoring signaling proteins in single cells 2000-03
[33] 논문 Receptor clustering and signal processing in E. coli chemotaxis 2004-12
[34] 논문 A multi-scale model of Escherichia coli chemotaxis from intracellular signaling pathway to motility and nutrient uptake in nutrient gradient and isotropic fluid environments
[35] 논문 Diversity in chemotaxis mechanisms among the bacteria and archaea 2004-06
[36] 논문 Repellent response functions of the Trg and Tap chemoreceptors of Escherichia coli 1990-01
[37] 논문 N-formylmethionyl peptides as chemoattractants for leucocytes 1975-03
[38] 논문 Netrin-1 Peptide Is a Chemorepellent in Tetrahymena thermophila 2016
[39] 논문 Responses of the ciliates Tetrahymena and Paramecium to external ATP and GTP 2005-06
[40] 서적 Biocommunication of Ciliates 2016
[41] 논문 Physics of chemoreception 1977-11
[42] 논문 The physics of eukaryotic chemotaxis 2013-02
[43] 논문 Chemotaxis: how bacteria use memory 2009-11
[44] 논문 Mechanistic insights into actin-driven polarity site movement in yeast 2020-05
[45] 논문 Cellular memory in eukaryotic chemotaxis 2014-10
[46] 논문 Local excitation, global inhibition mechanism for gradient sensing: an interactive applet 2004-02
[47] 논문 Cells navigate with a local-excitation, global-inhibition-biased excitable network 2010-10
[48] 논문 Eukaryotic chemotaxis at a glance 2008-08
[49] 논문 Chemotaxis: the proper physiological response to evaluate phylogeny of signal molecules 1999
[50] 논문 Cell motility and cytoskeletal regulation in invasion and metastasis 2007-09
[51] 논문 Gastrulation: making and shaping germ layers 2012
[52] 논문 Chemotaxis during neural crest migration 2016-07
[53] 논문 A meta-analysis indicates that the regulation of cell motility is a non-intrinsic function of chemoattractant receptors that is governed independently of directional sensing 2022-10
[54] 논문 Actuation of single downstream nodes in growth factor network steers immune cell migration 2023-07
[55] 논문 Ras suppression potentiates rear actomyosin contractility-driven cell polarization and migration 2024-07
[56] 논문 Stimulated neutrophil locomotion: chemokinesis and chemotaxis 1977-10
[57] 논문 Haptotaxis and the mechanism of cell motility 1967-01
[58] 논문 Social senses: G-protein-coupled receptor signaling pathways in Dictyostelium discoideum 1996-04
[59] 논문 Visual transduction in Drosophila 1999-11
[60] 서적 G Protein-Coupled Receptors - Signaling, Trafficking and Regulation 2016
[61] 논문 Decoding the chemotactic signal 2018-08
[62] 논문 Antagonists of chemoattractants reveal separate receptors for cAMP, folic acid and pterin in Dictyostelium https://pure.rug.nl/[...] 1982-08
[63] 서적 Biocommunication of Ciliates Springer 2016
[64] 서적 Biocommunication of Ciliates Springer 2016
[65] 논문 Chemotaxis and chemotactic selection induced with cytokines (IL-8, RANTES and TNF-alpha) in the unicellular Tetrahymena pyriformis 1998-07
[66] 논문 Ability of polymorphonuclear leukocytes to orient in gradients of chemotactic factors 1977-11
[67] 논문 Biosynthesis, biological effects, and receptors of hydroxyeicosatetraenoic acids (HETEs) and oxoeicosatetraenoic acids (oxo-ETEs) derived from arachidonic acid 2015-04
[68] 논문 The eosinophil chemoattractant 5-oxo-ETE and the OXE receptor 2013-10
[69] 논문 Prostaglandin receptor signaling in disease 2007-09
[70] 논문 Two distinct leukotriene B4 receptors, BLT1 and BLT2 2015-02
[71] 논문 Stimulating properties of 5-oxo-eicosanoids for human monocytes: synergism with monocyte chemotactic protein-1 and -3 1996-11
[72] 논문 Chemotactic-range-fitting of amino acids and its correlations to physicochemical parameters in Tetrahymena pyriformis - Evolutionary consequences
[73] 서적 Mathematical Biology I: An Introduction https://www.ucl.ac.u[...] Springer
[74] 논문 How the chemotactic characteristics of bacteria can determine their population patterns
[75] 논문 How animals follow their nose https://knowablemaga[...] Annual Reviews 2023-03-06
[76] 논문 Olfactory Sensing and Navigation in Turbulent Environments https://www.annualre[...] 2022-03-10
[77] 논문 Chemical Robotics—Chemotactic Drug Carriers
[78] 논문 Enzyme molecules as nanomotors 2013-01
[79] 논문 A Theory of Enzyme Chemotaxis: From Experiments to Modeling 2018-10
[80] 논문 Substrate-driven chemotactic assembly in an enzyme cascade 2018-03
[81] 논문 Chemotaxis of Molecular Dyes in Polymer Gradients in Solution 2017-11
[82] 논문 Decision-Making in Bacteria: Chemotactic Response of Escherichia Coli to Conflicting Stimuli
[83] 웹사이트 http://research.micr[...] 2006-11-06
[84] 웹사이트 http://news.bbc.co.u[...] 2006-11-06
[85] 웹사이트 Noreen R. Francisによる講演要約（日本語） http://www.fbs.osaka[...] 2010-07-19
[86] 웹사이트 大阪大学大学院生命機能研究科プロトニックナノマシン研究室サイト　鞭毛による運動の動画 http://www.fbs.osaka[...] 2010-07-19
[87] 웹사이트 川岸郁朗「理の先端をいく」『名古屋大学理学部・大学院理学研究科 広報誌［理フィロソフィア］』No.11 October 2006 http://www.sci.nagoy[...] 2010-07-19
[88] 논문 E. coli ''in motion'' Springer
[89] 논문 大腸菌走化性シグナル伝達機構 : タンパク質局在と相互作用を中心に(ナノバイオダイナミクス,研究会報告) https://hdl.handle.n[...] 物性研究刊行会 2006-02
[90] 논문 細菌の走化性トランスデューサー型蛋白質ファミリー https://jglobal.jst.[...] 共立出版 1996-02
[91] 논문 The two-component signaling pathway of bacterial chemotaxis: a molecular view of signal transduction by receptors, kinases, and adaptation enzymes. http://www.ncbi.nlm.[...]
[92] 논문 Effects of Adaptation in Maintaining High Sensitivity over a Wide Range of Backgrounds for Escherichia coli Chemotaxis https://doi.org/10.1[...]
[93] 논문 An Ultrasensitive Bacterial Motor Revealed by Monitoring Signaling Proteins in Single Cells
[94] 논문 Receptor clustering and signal processing in E. coli chemotaxis
[95] 논문 Eukaryotic chemotaxis at a glance
[96] 논문 Chemotaxis: the proper physiological response to evaluate phylogeny of signal molecules
[97] 논문 Sequential Regulation of DOCK2 Dynamics by Two Phospholipids During Neutrophil Chemotaxis
[98] 웹사이트 科学技術振興機構プレスリリース　白血球の一種「好中球」が感染源に向けて動く際の基本原理を解明 https://www.jst.go.j[...] 2010-07-20
[99] 웹사이트 Schematic illustrations of the major secondary structural motifs of the four chemokine subfamilies http://journals.camb[...] Cambridge University Press 2010-09-22
[100] 논문 Three-dimensional structure of interleukin 8 in solution.
[101] 논문 Analysis of chemotactic bacterial distributions in population migration assays using a mathematical model applicable to steep or shallow attractant gradients.
[102] 논문 バクテリアの走化性によるパターン形成のモデル https://hdl.handle.n[...] 京都大学数理解析研究所 1993-03
[103] 간행물
[104] 논문 Neutrophil migration in infection and wound repair: going forward in reverse 2016-05
[105] 논문 Cell motility in cancer invasion and metastasis: insights from simple model organisms 2018-05
[106] 저널 Lymphocyte migration into atherosclerotic plaque 2015-01
[107] 저널 Importance of the leukotriene B4-BLT1 and LTB4-BLT2 pathways in asthma 2017-10
[108] 저널 Combined anti CXC receptors 1 and 2 therapy is a promising anti-inflammatory treatment for respiratory diseases by reducing neutrophil migration and activation 2015-10
[109] 저널 Monocytes in rheumatoid arthritis: Circulating precursors of macrophages and osteoclasts and, their heterogeneity and plasticity role in RA pathogenesis 2018-12
[110] 저널 Chemotactic movement of a polarity site enables yeast cells to find their mates https://www.pnas.org[...] 2021-06-01


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com