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Research

DGIST 학부생 연구팀, 물고기 종간 차이와 피부 공생 세균의 차이가 상처 회복에 미치는 영향 분석

  • 조회. 201
  • 등록일. 2021.09.09
  • 작성자. 대외협력팀

UGRP(학부생 공동연구 프로젝트)를 통해 국내 토종 어종 대상으로 피부 상처 회복 속도에

영향을 미치는 요인에 대한 연구 진행

토종 어류 중에서 피부 상처 회복이 아주 빠른 물고기 선별 및 염기 서열 분석을 통해 피부

상처 회복에 방해를 주는 세균 식별

 

 

[(왼쪽부터) DGIST 기초학부 학부생 신소은,윤태리,방경원,이무근씨]

 

 DGIST(총장 국양) 기초학부생(윤태리, 신소은, 방경원, 이무근)들로 구성된 연구팀(지도교수 뇌·인지과학전공 백명인 교수, 기초학부 조정아 교수)이 진행한 연구가 SCI급 저널 ‘International Journal of Molecular Sciences(Q1 저널)’721() 게재됐다. 연구팀은 물고기 종의 차이와 어류 피부에 공생하고 있는 세균이 상처 회복 속도에 영향을 줄 수 있음을 입증했다.

포유류의 피부 공생 세균 및 면역체계에 대한 연구는 종전에도 많이 진행되어 왔다. 그러나, 포유류와 피부 상처 치유 과정이 유사한 어류의 경우 상처 회복 과정에 있어 세균의 역할에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았다.

따라서, 본 연구팀에서는 물고기에서도 피부 공생세균이 비슷하게 작용할 것으로 예상하고, 피부의 형태(비늘의 유무)와 서식지(강의 상/하류)에 따라 7종의 한국 토종 민물 어류를 선정했다. 7종을 대상으로 동일한 실험실 환경 조건에서 기계적 피부 상처 회복 능력 및 항생제 처리를 통한 피부 공생세균과 피부 상처 회복 속도의 상관관계를 조사했다.

그 결과, 물고기 종의 차이에 따라 상처 회복 속도에 많은 차이가 있을 뿐만 아니라, 어류 피부에 공생하고 있는 세균이 상처 회복 속도에 영향을 줄 수 있음을 함께 밝혔다. 구체적으로는 피부에 비늘이 없는 어류인 동자개의 상처 회복 속도가 유의미한 차이로 빨라진 것을 확인할 수 있었다. 또한, 동자개 피부에서 어류 피부에 해를 일으키는 세균인 Elizabethkingia가 항생제 처리 후 그 조성이 5000배 이상 감소된 것을 확인했다.

인간을 포함한 많은 동물들은 피부에 상처를 줄 수 있는 수많은 원인들에 노출되어 있다. 당뇨병과 같은 기저 질환이 있을 경우 그 상처 치유 속도가 아주 느려서 많은 외부 세균들에 의한 추가 감염에 노출되는 등 큰 문제를 야기할 수 있다. 따라서 빠른 상처 회복을 유도하는 것은 아주 중요하며, 상처 회복 기작 규명 연구는 이러한 사람들의 치료에 도움이 될 수 있는 중요한 단서를 제공해 줄 것으로 기대된다.

이번 연구는 DGIST 학부 교육과정인 UGRP(학부생 공동연구 프로젝트)연구주제로 진행됐다. UGRPDGIST의 학부생들이 주도적으로 자기 완결적 연구 프로젝트를 수행하는 DGIST의 정규 교육과정이다.

 제 1저자인 DGIST 기초학부 윤태리 학생은 “UGRP와 지도교수님의 지원이 있었기에 학부생들이 직접 설계한 실험을 실행하고 국제학술지에도 실릴 수 있었다“UGRP 교과를 통해 연구를 계획하고 진행하는 과정뿐만 아니라 연구자로서 갖추어야할 기본적인 소양도 배울 수 있었다고 말했다. 

 UGRP 연구지도를 맡은 뇌·인지과학전공 백명인 교수는 기초학부생들 스스로 연구를 설계, 진행, 결론짓고 논문화 하는 과정을 아주 우수하게 수행했고, 이 경험은 앞으로 학생들이 연구 활동을 할 때 꼭 필요한 훌륭한 자산이 될 것 같다.”고 말했다.

 

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연구결과개요

Skin Wound Healing Rate in Fish Depends on Species and Microbiota

Tery Yun, Soeun Shin, Kyungwon Bang, Mugeun Lee, Jung-Ah Cho and Myungin Baek

(International Journal of Molecular Sciences, on-line published on 21 July, 2021)

 

피부는 신체와 주변 환경 사이의 장벽으로 몸을 보호하는 동시에 많은 양의 세균을 지니고 있다. 피부 상처는 해로운 세균이 몸 안으로 들어올 수 있는 기회를 제공해 주기 때문에 빠른 상처 치유는 건강을 위해 아주 중요하다고 할 수 있다. 최근 항생제 처리 실험을 통해서 포유류의 피부 공생 세균은 숙주의 면역 체계와 상호작용함으로써 상처 회복 능력을 향상시키는 것으로 보고되었다. 하지만, 포유류와 피부 상처 치유 과정이 유사한 어류는 상처 회복 과정에 있어서 세균의 역할에 대한 연구는 많이 이루어지지 않고 있어서, 우리는 어류에서 피부 공생세균의 피부 상처회복 속도에 대한 영향을 밝히는 것을 목표로 연구를 수행하였다. 어류의 피부 공생 세균도 포유류의 피부 공생세균과 비슷하게 피부 상처 회복을 도와줄 것으로 가설을 세웠고, 이 가설을 시험하기 위해 먼저 서식지와 비늘의 위치를 기준으로 토종 어류 7(버들치, 왜몰개, 수수미꾸리, 참종개, 미꾸라지, 미유기, 동자개)을 선정하였다. 이들 7종을 대상으로 피부 상처 회복 능력을 비교하였고, 이를 통해 상처 회복 속도가 빠른 동자개와 왜몰개 2종을 선정하였다. 2종을 대상으로 항생제를 사용하여 피부 세균에 변화를 주었을 때 포유류와 다르게 메기목 어류로 비늘이 없는 동자개에서는 오히려 상처 회복 속도가 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 세균 16S rRNA 분석을 통해 항생제 처리 후 상처 회복 속도에 대한 마이크로바이옴의 상관관계를 확인하여 상처 회복에 부정적인 역할을 하는 것으로 예측되는 세균을 발견했다. 이 연구를 통해, 어종에 따라 피부 상처 회복 능력에 큰 차이가 있는 것을 확인하였고, 어류의 피부에 공생하는 세균이 어류의 피부 상처 회복에 중요한 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구는 앞으로 피부 상처 회복 속도를 증진 시킬 수 있는 유전적 요인과 세균 종에 대한 중요한 단서를 제공해 줄 것으로 기대 된다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

한 가지 어류를 대상으로 피부상처 회복의 과정에 대해 연구한 기존의 선행연구들과 달리, 동일한 조건의 환경에서 7종의 한국 토종 민물 어류를 대상으로 피부상처 회복 능력의 차이와 피부 공생 세균의 역할을 규명하였다. 이번 연구를 통해 물고기 종간 피부 상처 회복 능력에 많은 차이가 있음을 확인할 수 있었고, 피부 공생 미생물이 물고기의 피부 상처 회복에 중요한 역할을 함을 밝힐 수 있었다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

지구상에는 약 3만여 종에 달하는 아주 많은 어종이 존재한다. 이런 물고기에서의 피부 상처 회복 연구를 통해서 피부 상처 회복 속도를 증진 시킬 수 있는 유전적 및 세균적 요인을 찾을 것으로 기대되며, 이는 앞으로 피부 상처 치료제 개발에 중요한 정보를 제공해 줄 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

본 연구에서는 어종에 따라 피부 상처 회복 속도에 많은 차이가 있고, 피부 공생 세균이 상처 회복에 영향을 줄 수 있다는 것을 밝혔다. 하지만 본 연구의 실용화를 위해서는 그 기작을 밝히는 추가적인 연구가 필요하다.

이후 연구에서는 포유류에서 피부 상처회복 속도를 증진시키는 것으로 알려진 type I IFNIL-1β 시그널링의 과정이 어종에 따라서 어떻게 피부 상처에 반응하는지 알아보는 연구가 필요해 보인다. 한편으로 본 연구에서 찾은 피부 상처회복 속도를 늦어줄 것으로 추정되는 세균에 의해서 이런 시그널링 과정이 어떻게 영향을 받는지에 대한 연구 또한 필요하다. 지구상에는 약 3만여 종에 달하는 아주 많은 물고기 종이 존재한다. 이러한 훌륭한 유전자원을 차세대 염기서열 분석 기법 등을 통해 비교 분석함으로써 피부 상처 회복에 중요한 유전적 인자를 찾는 연구 또한 선행되어야 할 것이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?.

피부 상처는 우리가 일상적으로 늘 접하는 경험으로, 당뇨병 같은 기저 잘환이 있는 경우 그 치유 속도가 아주 느려서 아주 많은 주의가 필요하며, 그렇지 않을 경우 심각한 결과를 초래할 수도 있다. 이런 피부 상처 치유과정에 관심을 갖고 있던 중, 윤태리 학부생이 메기목 민물고기 미유기에 대한 선행 연구를 통해 주로 상류에서 돌과 바위틈에 살아가는 비늘이 없는 미유기가 빠른 피부 상처 회복 속도를 갖고 있음을 확인하였다. 이를 통해 상처가 자주 발생하는 환경에 서식하는 미유기가 빠른 상처 회복 능력을 갖게 된 것이라는 가설을 세웠다. 이에 대한 연구 과정에서 비늘의 유무와 점액에 존재하는 세균이 상처 회복에 영향을 줄 수 있다고 예상하였다. 하지만 같은 조건의 환경에서 비늘의 유무 및 위치를 기준으로 다양한 어류의 상처회복 속도를 비교한 선행연구는 없었다. 따라서 우리 UGRP 연구팀은 비늘의 유무와 서식지를 기준으로 토종 어류를 선정하고, 이들을 대상으로 상처 회복 속도를 비교하였다. 이후 상처 회복이 빠른 어종을 선정하여 이들이 공통적으로 지닌 피부 구조의 특성과 세균을 동정해보고자 연구를 시작하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

그동안 연구가 활발히 진행되고 있지 않은 한국 토종 민물 어류들을 대상으로 피부 상처 회복 능력의 차이와 피부 공생 세균의 구성을 분석하였다. 그 결과 비늘의 위치가 피부 상처 회복 속도와 중요한 연관관계가 있음을 밝혔다. 그리고 피부 공생 세균이 피부 상처회복에 긍정적인 영향을 주었던 포유류에서의 선행연구와 달리, 본 연구에서는 항생제가 투여된 동자개에서 더 빠른 상처 회복 속도를 확인할 수 있었다. 16S rRNA 염기 서열 분석 결과, 항생제로 인해 해로운 세균들이 줄어들면서 동자개의 상처 회복 속도가 빨라진 것으로 보인다. 본 연구는 피부 상처 회복 속도에 영향을 주는 유전적 요인이 있음을 제시해 주는 한편, 피부 공생 세균의 피부 상처 치유과정에서의 영향이 생물 종마다 다를 수 있음을 암시해 주고 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

어류와 같은 해양 생명체는 수생 세균 및 다른 병원성 미생물들로부터 자신들을 보호하기 위해 빠른 상처 회복 능력과 항균성을 지닌 점액 등을 합성하는 방법을 발전시켰다. 특히 어류는 전 세계적으로 3만여 종에 달하는 아주 다양한 종이 존재하는 유전자원의 보고로서 각 어종의 상처 회복 과정과 상처 회복에 도움이 되는 유전적 요인들에 대해 연구하여 다양한 원인에 의한 피부 상처질환으로 어려움을 겪는 환자들에게 큰 도움이 되고 싶다.

 

 

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그림설명

[그림 1] 7 어종의 상처 회복 속도 비교

(A) 본 실험의 진행 과정을 나타낸 그림이다. 비늘의 유무 및 위치와 어류의 서식지에 따라 7 어종을 선정하고 상처를 도입하였다. 이후 상처 크기와 색소 형성 정도를 측정하여 상처 회복 속도를 비교하고, 상처 회복이 빠른 두 어종을 선정하였다.
(B) 각 어종의 상처 회복 과정을 나타낸 그림이다. 각 날짜별로 상처 회복 정도를 비교하기 위해 dpw(days post-wounding)는 0, 8, 16으로 고정하였다. (미유기 데이터는 논문의 supplement figure에 첨부되어있다.)
(C, D) (C)는 각 어종의 상처 크기 (%)를, (D)는 각 어종의 색소 형성 정도 (%)를 나타낸다. 상처 크기 (색소 형성정도)%: 상처 크기 (색소 형성정도) at (n)dpw/0dpw)*100.
(E, F) 10 dpw에서의 상처 크기 (%) (E)와 색소 형성 정도 (%,F)를 기준으로 상처 회복 속도를 정량화한 그래프이다. ns: not significant. * p ≤ 0.05, ** p ≤ 0.01, *** p ≤ 0.001.

 

[그림 2] 리팜피신을 처리했을 때의 상처 회복 속도 변화

(A) 본 실험의 진행 과정을 나타낸 그림이다. 한 어종을 2개의 그룹 (그룹A, 그룹R)으로 나눈 뒤, 그룹A는 인공 연못물에서, 그룹R는 리팜피신이 투여된 인공 연못물에서 길렀다.
(B) 어류 표피의 회복 정도를 비교하기 위해 실체현미경으로 촬영한 사진이다. 각 날짜별로 상처 회복이 어느 수준까지 진행되었는지를 비교하기 위해 DPW는 1, 6, 10, 14로 고정하였다.
(C, D) (C)는 상처 크기 (%)를, (D)는 색소 형성 정도 (%)를 나타낸다.
(E, F) 상처 크기 (%) (E)와 색소 형성 정도 (%, F)를 정량화한 그래프이다. 상처 회복률은 상처 크기 (%)가 20%에 도달하거나 색소 형성 정도 (%)가 80%가 되는 시점(DPW)의 평균 날짜를 그룹A, R끼리 비교하였다. ns: not significant. * p ≤ 0.05, ** p ≤ 0.01.

 

[그림 3] 리팜피신 처리에 따른 표피 세균의 분포 변화

(A) 동자개, 왜몰개의 그룹별 표피 세균의 구성 변화를 관찰하기 위한 실험 과정을 나타낸 그림이다.
(B) 동자개와 왜몰개의 그룹별 PCA(Principal Component Analysis) 그래프로 샘플들 사이의 유사도를 보여준다. n = 3 in each group.
(C) 동자개와 왜몰개의 그룹별 세균의 평균적 상대 분포 그래프이다. 모든 수치들은 속 수준에서의 동정에 의해 도출된 값이다. * 과; Ab, abundance.
(D) 왜몰개, 동자개 그룹별 분포에서 상위 20개의 속 분류군을 나타낸 heat map이다. 속, *과, **목 (강).

 

[그림 4] 리팜피신에 의한 피부 점액 내 microbiome의 변화

 

(A, B) (A)는 왜몰개, (B)는 동자개에서 그룹A와 R 사이에 유의미한 차이를 보이는 세균 분류군을 heat map을 통해 나타내었다.
(C) 각 어종의 그룹에서 세균의 상대적 분포도 (≥ 0.1%)를 정리한 표이다. 속, *과 (강, ***문).

 

 

 

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