균유전체학(Metagenomics) 이해하기 (1)

균유전체학(Metagenomics)란 무엇일까?

 

 

 

미생물이 세상을 움직입니다. 무슨 말인지 잘 이해가 안가실 수도 있지만, 매우 간단한 말입니다. 우리가 평소에 미생물들을 볼 수는 없지만, 미생물은 인류의 모든 부분, 즉 지구 위의 모든 생명에 필수적으로 존재합니다. 생물권의 모든 과정은 세상을 변화시킬 수 있는 미생물의 무한한 능력에 의해 영향을 받습니다. 생명체의 주요 요소인 탄소, 질소, 산소 및 황을 생물학적으로 접근 가능한 형태로 전환하는 화학주기는 미생물에 의해 좌우됩니다. 모든 식물과 동물은 필요한 영양소, 금속 및 비타민을 숙주에게 제공하는 미생물 군집과 밀접한 관련이 있습니다. 발효 및 기타 자연적 과정을 통해 미생물은 사람의 식단의 필수 요소인 많은 음식에 가치를 창출하거나 부가합니다. 우리는 환경에서 독소를 치료하기 위해 미생물에 의존합니다. 자연적으로 생성되는 것과 독소 및 화학 물질 유출과 같은 인간 활동의 부산물입니다. 내장과 입에서 인체와 관련된 미생물은 음식 없이는 소화할 수없는 음식에서 에너지를 추출하여 질병을 유발하는 물질로부터 보호해줍니다.

 

이러한 기능은 복잡한 커뮤니티, 즉 환경 변화에 신속하고 유연하게 적응하는 복잡하고 균형 잡힌 통합된 엔티티 내에서 수행됩니다. 그러나 역사적으로 미생물 연구는 순수한 문화에서 단일 종에 중점을 두었으므로 이러한 복잡한 공동체에 대한 이해는 개별 구성원에 대한 이해에 뒤떨어집니다. 그러나 우리는 지역 사회로서 미생물이 환경 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 충분히 알고 있습니다. 미생물을 눈에 보이게 함으로써 18세기 후반에 발명된 현미경의 발명으로 미생물의 존재를 알 수 있었습니다. 1800 년대 중반에 실험실 배양법의 개발은 소수 미생물이 어떻게 개인으로서 생활을 하는지, 분자 생물학을 가르쳐주었습니다. 그리고 20세기 후반의 게놈 혁명은 이 생리학적 지식을 근본적인 유전적 기초에 대한 철저한 이해와 통합시켰습니다.

 

따라서 미생물에 관한 거의 모든 지식은 생태학적 맥락이 없는 순수한 문화에서 인공 배지에서 최적으로 자라는 비정상적이고 부자연스러운 환경에서 달성되는 대체로 "실험 지식"입니다. 불과 몇 년 전의 metagenomits 과학은 자연환경, 일반적으로 그들이 사는 복잡한 공동체에서 미생물을 조사하는 것을 가능하게 할 것입니다. 그것은 현미경의 발명으로 시작된 것과 같이 심오할 수 있는 생물학 , 의학, 생태학 및 생명 공학의 변형을 가져올 것입니다.

 

 

 

 

대사란 무엇인가?

 

유전체학 자체와 마찬가지로 metagenomits는 많은 관련 접근법과 방법으로 구성된 일련의 연구 기법과 연구 분야입니다. 그리스어로 미터 는 "초월"을 의미합니다. 접근과 방법에서, metagenomits는 임상 및 환경 미생물학의 발전을 위한 가장 큰 장애물인 대부분의 미생물의 배양 불가능성과 게놈 다양성을 우회합니다. 첫 번째 맥락에서 미터 는 단지 샘플링 될 수 있고 완전히 특성화될 수 없을 정도로 복잡한 공동체의 유전자 구성과 활동에 대한 이해를 극대화하는 계산 방법을 개발할 필요성을 인식하고 있습니다. 두 번째 의미에서 연구 분야의 미터는이 새로운 과학이 생물학을 이해하려고 노력한다는 의미입니다. 집단 수준에서, 개별 유기체를 초월하여 공동체의 유전자에 초점을 맞추고 유전자가 집단 기능을 수행하는 서로의 활동에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지. 물론 개별 유기체는 공동체 활동의 단위로 남아 있으며, 우리는 metagenomits가 개인과 그들의 게놈에 관한 연구를 보완하고 자극할 것으로 기대합니다.

 

앞으로 수십 년 동안 우리는 metagenomits의 하향식 접근법, 고전적 미생물학의 상향식 접근법 및 유기체 수준의 게놈이 병합될 것으로 기대합니다. 우리는 지역 사회와 생물권을 형성하는 지역 사회의 집합에 인간이 참여하고 인간 생존이 의존하는 중첩 된 시스템 시스템으로 이해합니다. 어떤 상황에서는 새로운 이해를 긴급 성과 중요성의 문제에 적용하는 것이 가능할 것입니다.

 

어떤 의미에서든 Metagenomits는 아마도 정의에 의해 엄격하게 제한되지 않을 것입니다. 지금 그것을 제한하려고 시도하는 것은 바람직하지 않지만, 이 용어에는 공동체 또는 그 구성원의 재배와 무관한 게놈 수준 특성화, 높은 처리량 유전자 수준이 포함됩니다. 유전체학에서 빌려 온 방법을 이용한 지역 사회 연구와 게놈 수준에서 생물 유기 행동과 생물권을 이해하는 것을 목표로 하는 다른; omits연구. 현재 초기 구현에서 metagenomits는 진핵생물이 아닌 미생물에 초점을 맞추고 있지만, 그 개념과 방법이 궁극적으로 모든 생물학을 변화시킬 것이라는 데는 의심의 여지가 없습니다. 이런 식으로 유전체학, 생물 의학의 발전과 우리 종에 대한 이해를 돕기 위해 개발된 과학, 모든 유기체의 과학 및 역학, 임상 미생물학, 바이러스학, 농업, 임업, 어업, 생명 공학, 미생물 법의학 및 기타 여러 분야에서 기여합니다.

 

 

 

미생물이 할 수 있는 네 가지 예:

 

우리는 예제로 시작합니다. 미생물이 일상생활에 영향을 미치는 수많은 방법이 있습니다. 그것은 물리적인 하나이며, 생명의 가장으로 지구만큼 생물학적 실체 생물학 모든 생명이 의존하는 것입니다. 그러나 미생물은 개별적으로 보이지 않기 때문에 미생물에 대한 부채를 상기시켜야 합니다. 수천 가지 이유 중 4가지가 있습니다.

 

 

1. 미생물이 대기를 조절하고 유지한다. 

 

탄소는 인간을 포함한 모든 생명체에서 가장 풍부한 화학 원소입니다 (수중 수소와 산소를 제외하고 우리 몸무게의 대부분). 대기 중 이산화탄소 (CO2 )는 지구 위에서 가장 풍부한 탄소 원이지만, 이 형태에서는 동물과 대부분 박테리아가 접근할 수 없습니다. 광합성 세균 식물 일부 "수정"탄소, CO의 광중심 전환 2산소를 생성하는 당류 수명 연료 모든 호기성 형성하도록. 식물은 대부분 신용을 얻는 경향이 있지만, 박테리아는 지구에서 광합성의 약 절반을 담당합니다.

 

리터당 수십억 개의 세포로 총체적으로 존재하는 해양 미생물은 땅윗물에서 하루에 약 1배의 속도로 자라며 거의 같은 속도로 소비됩니다. 광합성을 수행하는 유기체는 바다에서도 평균적으로 일주일에 한 번 정도 빠르게 뒤집어집니다. 전 세계 해양의 순 일차 생산성은 매년 451 ~ 500억 톤의 CO2 를 고정하는 것으로 추정됩니다. 해양 미생물에 의해 매개 되는 화학 변형은 전 세계 여러 가지 화학 주기에서 중요한 역할을 합니다. 해양 미생물 군집의 집단 대사는 바다의 에너지와 물질의 흐름, 지구 대기의 구성 및 지구 기후에 세계적인 영향을 미칩니다. 본질에서, 미생물 군집의 결합 된 활동은 전체 바다의 화학에 영향을 미치고 지구 전체의 거주성을 유지합니다.

 

이러한 복잡한 지역 사회의 인구 역학 내에 숨겨진 환경 반응 및 감지, 종 및 지역 사회 상호 작용, 유전자 조절, 게놈 가소성 및 진화에 대한 기본 교훈이 있습니다. 미생물은 지구 생물권의 청지기이며 자연의 바이오센서는 우수성입니다. 아마도 오늘날 가장 명백하게 살아있는 해양은 지구 탄소 순환에서 중요한 역할을 합니다. 상부 바다의 결합 용해 CO 농도가 짙은 대기 결과 2 바다의 나머지보다 표면 해수입니다. 많은 무기 CO 변환 지표수 미생물 군집에 따라 해양의 작용을 통해 이동할 수 있는 상승한 탄소 입력 "생물학적 펌프"의 2 유기 탄소로. 유기 탄소는 호흡하여 상부 해양 대기로 되돌아가거나 땅윗물에서 빠져나와 심해에서 격리될 수 있습니다. 복잡한 미생물 군집 상호 작용은 재활용된 탄소와 격리된 탄소의 비율을 조절하는 데 도움이 됩니다. 식물성 플랑크톤 커뮤니티의 구조는 식물성 플랑크톤이 바이러스에 의해 공격을 파괴하는 요금 및 기타 미생물의 용량은 CO에 유기 탄소 등을 켜 둘 다 영향 탄소의 운명, 그리고 역할을 하는 바다의 능력을 CO2의 공급원 또는 싱크, CO2 는 매우 중요한 온실가스이므로 광합성 박테리아는 두 가지 방식으로 행성에 작용합니다. : 탄소를 생물학적으로 접근 가능한 형태로 변환하고 CO를 제거합니다.

 

 

2. 미생물은 우리들의 건강을 유지시킨다.

 

미생물이 지배하는 생물권에서 미생물과 동물의 밀접한 관계가 고대 주제라는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 인간도 예외는 아닙니다. 숫자가 엄청납니다. 인체 표면에만 존재하는 미생물은 인간 세포보다 약 10배나 많습니다. 우리의 고유 미생물 군집 구성원 (인간 미터 게놈)의 게놈은 인간 게놈보다 수천 배 더 많은 유전자를 포함합니다. 미생물 군집은 또한 인간의 입, 피부 및 호흡기 및 여성 생식 기관에 서식합니다.

 

이러한 지역 사회의 구성은 시간이 지남에 따라 변하고 구강과 같은 일부 신체 부위는 특정 지역 사회 구성이 잇몸병과 관련이 있다는 증거가 이미 있습니다. 미생물 군집 구조가 건강과 질병에 미치는 영향을 이해하면 질병의 진단, 예방 및 치료에 도움이 될 수 있습니다. 이 미생물 파트너의 대다수는 장내에서 살며, 여기서 10 ~ 100조의 다양한 미생물 군집 이식이 요법의 소화 불가능한 성분으로부터 열량을 추출하는 등 인간이 진화하지 않아도 되는 기능을 수행합니다. 필수 비타민과 아미노산의 합성. 면역 체계의 발달과 같은 출생 후 생활의 주요 측면을 형성하고 에너지 균형을 포함한 성인 생리학의 중요한 측면에 영향을 미치는 복잡한 미생물 군집. 장내 미생물은 환경과의 주요 인터페이스로서 기능함으로써 숙주를 제공합니다. 예를 들어, 그들은 감염성 설사를 유발하는 병원체에 의한 침입으로부터 우리를 보호하고, 우리가 (의도적으로 또는 의도하지 않게) 섭취할 수 있는 잠재적으로 해로운 화학 물질을 해독합니다. 항생제 내성의 출현 때문인 감염성 병원체 관리의 위기에 비추어, 우리는 감염원으로부터 우리를 보호하는 미생물 공동체의 역할을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 우리의 미생물은 마스터 생리 화학자입니다.

 

 

 

3. 미생물이 식물 성장을 지원하고 식물 질병을 억제시킨다.

 

식물 내외의 미생물 군집은 작물의 건강과 생산성에서 중심적인 역할을 합니다. 이 지역 사회의 가장 복잡한 것은 토양과 박테리아와 고풍으로 가득 찬 미네랄과 유기 물질의 복합물입니다. 이 미생물의 일부 기능은 잘 알려졌습니다. 일부 박테리아는 대기 질소를 고정해 식물과 동물이 사용할 수 없는 형태인 이질 소 가스에서 암모니아로 전환해 쉽게 사용합니다. 다른 토양 미생물은 부패하는 식물과 동물의 영양분을 재활용하고 다른 토양 미생물은 철분과 망간과 같은 원소를 식물 영양에 사용할 수 있는 형태로 변환합니다. 토양 미생물 군집은 식물이 병원체에 감염될지 여부를 결정합니다. 남아있는 미스터리는 "억제 토양"현상입니다. 일부 토양에서는 병원체가 고밀도로 존재하더라도 식물은 건강을 유지합니다.

 

토양이 살균되면 질병 억제가 사라지 고이 현상의 생물학적 근거가 됩니다. 그러나 토양에서 분리된 단일 미생물이 억제를 복제할 수 있는 경우는 거의 없습니다. 억제 토양의 수수께끼로 수십 년 동안 씨름한 후, 식물 병리학자들은 복잡한 지역 사회가 억제 활동에 책임이 있으며, 이는 농업에 큰 도움이 된다고 결론지었습니다. 공동체 구성원들이 서로의 행동을 수정하기 때문에 어떤 유기체도 고립에서 같은 효과를 제공하는 것으로 밝혀지지 않았습니다.

 

 

4. 미생물의 연료 누출 청소

 

이 나라에는 수십만 개의 지하 저장 탱크가 있으며, 대부분은 휘발유 저장에 사용됩니다. 실제로 미국의 거의 모든 코너 주유소는 3개 이상의 이 탱크를 사용하여 정기, 프리미엄 및 초고급 버전의 휘발유를 분배합니다. 이 지하 탱크에 대한 슬픈 사실은 그들 중 대다수가 이미 누출되거나 지하수로 휘발유를 보내 지하수를 오염시킬 가능성이 있다는 것입니다. 휘발유 누출의 유비쿼터스와 규모와 미국 인구의 50%가 식수원으로서 지하수에 의존한다는 사실을 고려할 때, 우리가 휘발유로 오염된 모든 식수가 아니라는 점을 궁금해해야합니다. 답은 우리가 전지전능하고 광범위하게 적응할 수 있는 지하 미생물 커뮤니티에 의해 보호되고 있다는 것입니다. 휘발유가 지하로 방출됨에 따라, 미생물 군집의 상대적 휴면 구성원은 휘발유 성분을 활성화하고 생분해하도록 유발됩니다. 휘발유는 수천 가지 유기 화학 물질로 구성되어 있으며, 이들 모두를 분해하기 위해서는 보완적인 대사 시스템을 포함하는 다양한 미생물이 필요합니다. 더욱이, 지하 표면에는 휘발유의 모든 전자 공여체와 반응하기에 단일 전자 수용체가 너무 적기 때문에, 가솔린 재처리를 완료하기 위해서는 호흡 능력이 다른 박테리아가 필요합니다. 예를 들어, 휘발유 유출 부근의 지하수에서 산소가 고갈되면 질산염을 호흡할 수 있는 박테리아가 이어지고, 철, 망간, 황산염 및 결국에는 CO2를 호흡하는 박테리아가 이어집니다. 이 복잡한 미생물 군집은 오염 물질이 해가 없는 CO2와 물로 변환될 때까지 새는 휘발유의 움직임에 의해 유발되는 자체 조직 패턴으로 함께 작동합니다. 미생물 군집은 다시 휴면 상태가 되어 다음번 기질 유입 (자연적 또는 인위적)이 활동으로 돌아오기를 기다립니다.