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npj Biofilms and Microbiome 9권, 기사 번호: 57(2023) 이 기사 인용

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미생물 세포를 손상시킬 수 있는 수많은 스트레스 요인은 정교한 스트레스 반응 메커니즘을 발전시켰습니다. 기존 바이오리포터는 개별 반응을 모니터링할 수 있지만, 살아있는 미생물의 다양한 스트레스 반응을 감지하는 센서는 여전히 부족합니다. RGB-S 리포터라고 불리는 단일 플라스미드에 결합된 직교적으로 검출 가능한 빨간색, 녹색 및 파란색 형광 단백질은 생리적 스트레스를 보고하는 3개의 프로모터(RpoS의 경우 PosmY)를 사용하여 대장균의 전사 반응을 동시에 독립적으로 실시간 분석할 수 있습니다. ), 유전독성(SOS의 경우 PsulA) 및 세포독성(RpoH의 경우 PgrpE). 바이오리포터는 표준 분석 및 후속 전사체 분석과 결합된 FACS(Fluorescent Activated Cell Sorting)와 호환됩니다. 생명공학적으로 관련된 2-프로판올을 포함한 다양한 스트레스 요인은 하나, 둘 또는 세 가지 스트레스 반응 모두를 활성화하여 스트레스와 관련되지 않은 대사 경로에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 공초점 형광 현미경 이미징을 사용하여 미세 유체 배양을 구현한 RGB-S 리포터는 이질적인 스트레스 반응을 가진 박테리아의 계층화된 하위 모집단을 드러내는 라이브 생물막의 시공간 분석을 가능하게 했습니다.

변화하는 환경 조건에서 생존을 보장하기 위해 미생물이 적응 변화를 중재하는 방법을 이해하려면 해당 스트레스 반응 경로를 모니터링해야 합니다. RpoS, SOS 및 RpoH는 생물막 형성 및 증식1,2, 병원체 독성3, 항생제 내성4, 진화4 및 생태학적 경쟁5에 영향을 미치는 광범위한 스트레스 자극을 통해 전사 경로를 조절하는 중요한 스트레스 반응 경로입니다. RpoS는 대장균(E. coli)6에서 약 500개의 유전자를 직간접적으로 조절하는 대체 시그마 인자입니다. 일반적인 스트레스 반응으로 알려진 RpoS 활성화는 주로 생리적 스트레스의 지표인 기아에 의해 자극됩니다7. 반면에 SOS 반응은 화학적, 물리적 또는 생물학적 작용제에 의해 유발된 DNA 손상에 반응하여 여러 기능을 수행하는 50개 이상의 유전자로 구성됩니다8. 따라서 SOS 반응의 상향 조절은 세포 유전독성과 관련이 있습니다. 대체 시그마 인자 RpoH는 30개 이상의 유전자를 포함하는 대장균의 열충격 스트레스 반응의 주요 조절자입니다9,10. RpoH 반응의 활성화는 세포독성의 표시로서 세포 내 펼쳐진 단백질의 축적에 의해 자극됩니다.

기술과 의학에 대한 이러한 생물학적 과정의 높은 관련성을 고려할 때, 근본적인 분자 메커니즘에 대한 포괄적인 이해는 매우 중요합니다. 예를 들어, 여러 스트레스 요인에 대한 세포 반응을 모니터링하면 제품 억제, 영양 결핍, pH 또는 전단 응력12과 같은 세포 생존력 및 생산성11을 이해하고 제초제 또는 제초제와 같은 다양한 환경 독성 물질을 모니터링하는 데 중요한 기여를 할 수 있습니다. 항생제13. 따라서 미생물 스트레스 반응에 대한 다중 모드 분석은 기초 연구뿐만 아니라 생명공학 과정에도 중요합니다.

이 목표를 위해 여러 유전적으로 암호화된 박테리아 바이오센서가 개발되었습니다. 일반적으로 사용되는 리포터 요소는 비색 β-갈락토시다제(lacZ)15 및 생물발광(luc, lux)16 리포터입니다. 이러한 시스템에는 일반적으로 온라인 측정 및 다색 보고를 제한하는 세포 용해, 다단계 분석 또는 촉매 반응이 필요하기 때문에 스트레스 반응 분석을 위해 형광 기반 리포터가 개발되었습니다. 그러나 현재 사용 가능한 시스템에는 높은 시공간 해상도로 살아있는 세포의 다중 모드 반응을 보고하는 기능이 부족합니다. 우리는 상응하는 스트레스 반응 경로의 모니터링을 통해 생리적 스트레스, 유전 독성 및 세포 독성에 대한 박테리아 반응을 동시에 표시하는 유전적으로 암호화된 3색 형광 바이오 센서에 대해 설명합니다(그림 1 및 보충 그림 1).