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강력한 경구 항결핵제로서의 천연 제품 유래 세쿼나마이신의 발견

ARTICLE

Discovery of natural-product-derived sequanamycins as potent oral anti-tuberculosis agents

Jidong Zhang, Christine Lair, Christine Roubert, Anna Upton, James C. Sacchettini, Sophie Lagrange,

Open AccessPublished:February 23, 2023DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.043

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00102-2

Highlights

  • Structure-based medicinal chemistry leads to an optimized sequanamycin-derived lead molecule, SEQ-9
  • Sequanamycins are macrolide antibiotics able to overcome inherent Mtb macrolide resistance
  • SEQ-9 is able to adjust its binding mode to the methylated (resistant) form of the Mtb ribosome
  • SEQ-9 kills Mtb in vitro and is efficacious in mouse models of TB

Summary

The emergence of drug-resistant tuberculosis has created an urgent need for new anti-tubercular agents. Here, we report the discovery of a series of macrolides called sequanamycins with outstanding in vitro and in vivo activity against Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Sequanamycins are bacterial ribosome inhibitors that interact with the ribosome in a similar manner to classic macrolides like erythromycin and clarithromycin, but with binding characteristics that allow them to overcome the inherent macrolide resistance of Mtb. Structures of the ribosome with bound inhibitors were used to optimize sequanamycin to produce the advanced lead compound SEQ-9. SEQ-9 was efficacious in mouse models of acute and chronic TB as a single agent, and it demonstrated bactericidal activity in a murine TB infection model in combination with other TB drugs. These results support further investigation of this series as TB clinical candidates, with the potential for use in new regimens against drug-susceptible and drug-resistant TB.

Graphical abstract

Keywords,

tuberculosis, antibacterial, macrolide, ribosome, emr37, drug discovery, sequanamycin,erythromycin, clarithromycin,

 

강력한 경구 항결핵제로서의 천연 제품 유래 세쿼나마이신의 발견

하이라이트

  • 구조 기반 의약 화학은 최적화된 세쿼나마이신 유래 선도 분자인 SEQ-9로 이어집니다.
  • 세쿼나마이신은 고유한 Mtb 마크로라이드 내성을 극복할 수 있는 마크로라이드 항생제입니다.
  • SEQ-9는 Mtb 리보솜의 메틸화 (내성) 형태에 대한 결합 모드를 조정할 수 있습니다.
  • SEQ-9는 시험관 내에서 Mtb를 죽이고 결핵 마우스 모델에서 효과적입니다.

요약

약물 내성 결핵의 출현으로 새로운 항결핵제가 절실히 필요하게 되었습니다. 여기에서 우리는 결핵균(Mtb)에 대한 뛰어난 체외 및 생체 내 활성을 가진 세쿼나마이신이라고 하는 일련의 마크로라이드의 발견을 보고합니다. 세쿼나마이신은 에리스로마이신 및 클라리스로마이신과 같은 고전적인 마크로라이드와 유사한 방식으로 리보솜과 상호 작용하는 박테리아 리보솜 억제제이지만 Mtb의 고유한 마크로라이드 내성을 극복할 수 있는 결합 특성이 있습니다. 결합한 억제제를 갖는 리보솜의 구조는 고급 선도 화합물 SEQ-9를 생산하기 위해 세쿼나마이신을 최적화하는 데 사용되었습니다. SEQ-9는 단일 제제로서 급성 및 만성 결핵의 마우스 모델에서 효과적이었으며, 다른 결핵 약물과 함께 쥐 결핵 감염 모델에서 살균 활성을 입증했습니다. 이러한 결과는 약물 감수성 및 약물 내성 결핵에 대한 새로운 요법에 사용될 가능성과 함께 결핵 임상 후보로서 이 시리즈에 대한 추가 조사를 뒷받침합니다.

 

결핵, 항균, 마크로라이드, 리보솜, EMR37, 신약 개발, 세콰나마이신, 에리스로마이신, 클라리스로마이신,

 

소개

결핵(TB)은 결핵균(Mtb)에 의해 발생하는 호흡기 전염병입니다. COVID-19 대유행 이전에 결핵은 전 세계적으로 전염병 사망의 주요 원인으로 선정되어 1.45 백만 명이 사망하고 10 백만 명이 이상 감염되었습니다. 다제 내성 결핵 (MDR-TB) 및 광범위한 약물 내성 결핵 (XDR-TB)의 부담이 증가함에 따라 기존 약물에 내성이 있는 Mtb에 대한 활성을 가진 새로운 결핵 약물 조합에 대한 절실한 필요성이 있습니다. 이상적인 새로운 요법은 보편적인 활동과 현재의 6~9개월 치료 과정보다 짧은 기간에 환자를 치료할 수 있는 충분한 효능을 결합하는 것입니다. 그것은 잘 견디고 안전에 대한 모니터링이 거의 또는 전혀 필요하지 않으며 구두로 투여할 수 있습니다. 신규 또는 용도가 변경된 항결핵제를 결합한 약물 감수성 결핵 및 약물 내성 결핵에 대한 여러 결핵 치료 요법이 임상 2상 후기 또는 임상 3상 시험에서 테스트 되고 있습니다. 그러나 기존 내성이 거의 없는 3가지 새로운 약물 클래스만 이러한 요법에 포함됩니다 – 즉, 니트로이미 다졸 (델라마니드 또는 프레토마니드), 디아릴퀴놀린 (베다 퀼린) 및 옥사졸리디논 (리네졸리드 및 수테졸리드)-개발 중인 몇 가지 새로운 화합물이 있습니다.

 

TB 리보솜을 표적으로 하는 항균제

Linezolid는 50S 리보솜을 표적으로 하여 단백질 합성을 억제하는 항생제입니다. 리네졸리드의 독성은 지금까지 결핵에 대한 일반적인 사용을 방해했지만 최근 한국 임상 시험에서 XDR-TB에 대한 분명한 영향을 입증했습니다. 또한, 여러 후기 임상 시험에서 약물 내성 결핵에 대한 리네졸리드의 유용성을 평가했습니다. 최근 베다퀼린-프레토마니드-리네졸리드 요법은 6개월 동안 투여된 이 모든 경구 요법을 평가한 Nix-TB 시험의 성공적인 결과에 따라 XDR-TB 및 치료 불내성 MDR-TB에 대한 사용을 위해 미국 FDA의 승인을 받았습니다. 그러나 리네졸리드 독성은 Nix-TB 시험에서 치료받은 환자들 사이에서 만연했으며, 진행 중인 ZeNix-TB 및 TB-PRACTECAL 시험은 효능에 이바지하지만 환자가 더 잘 견디는 베다퀼린-프레토마니드 기반 요법 내에서 리네졸리드의 더 낮은 용량 및/또는 기간을 식별하는 것을 목표로 합니다. 또한, 리네졸리드 및 수테졸리드를 사용한 전임상 모델의 데이터는 리보솜 억제제가 베다퀼린, 프레토마니드 및 피라진아미드와 함께 투여할 때 치료에 필요한 치료 기간을 단축할 가능성을 입증했습니다. 마크로라이드는 리보솜의 폴리펩티드 출구 터널을 차단하여 단백질 생합성을 중지시키는 또 다른 박테리아 리보솜 억제제입니다. 이러한 종류의 항생제는 많은 세균 감염에 대한 초석 약물이지만 결핵에 대해서는 효과가 없는 것으로 입증되었습니다. 이는 마크로라이드 항생제가 Mtb 리보솜을 메틸화하는 메틸 트랜스퍼 라제를 암호화하는 Mtb erm37 유전자의 발현을 유도하기 때문입니다. 주로 위치 A2058에 있습니다 (달리 명시되지 않는 한, 대장균 잔기 번호는 보충 정보를 포함하여 논문 전체에서 사용됩니다). 클라리스로마이신은 약물 내성이 높은 결핵에 대한 구조 요법에 때때로 사용되지만, 임상 환경이나 전임상 모델에서 결핵에 대한 유의미한 효능을 입증한 적이 없으며 14원자 고리 매크로라이드의 화학적 최적화는 성공하지 못했습니다. 여기에서는 급성 및 만성 결핵 마우스 모델에서 시험관 내 활성과 강력한 생체 내 효능을 입증하는 고급 리드 SEQ-9(그림 1)에 대한 천연물 SEQ-503의 구조 유도 최적화에 관해 설명합니다.

 

그림 1 세쿼나마이신과 T. 써모필러스 리보솜의 주요 상호작용

 

단순성을 위해, 락톤 고리와 관련된 측쇄 치환기만 3D 표현에 표시된다. 점선이 있는 검은 선은 3D 그림에서 수소 결합을 나타냅니다. 2D 상호 작용 맵에서는 빨간색입니다. 저항 돌연변이의 부위인 뉴클레오티드는 빨간색으로 표시된다.

(A) 에리트로마이신 및 세콰나마이신 A 및 그 유도체의 구조.

(B) SEQ-977 및 SEQ-569의 2D 상호작용 다이어그램.

(C) SEQ-977(파란색 표면)의 적합성과 펩타이드 출구 터널의 벽(노란색과 흰색) 사이에 형성된 상호 작용. C5 케토알로스는 에리트로마이신과 유사한 방식으로 중심 락톤의 소수성 C4-C8 가장자리가 펩타이드 벽과 접촉하면서 A2058과 수소 결합을 형성한다.

(D) SEQ-977의 C13과 L22의 터널 벽 요소 및 23S rRNA의 도메인 II에 의해 형성된 상호 작용.

(E) SEQ-569(노란색) 및 SEQ-977(보라색)의 경우 C8에서 카바메이트 존재 시 A2062의 상대적 위치.

 

토론

세콰나마이신 A는 1960년대에 잠재적인 결핵 치료법으로 상당한 관심을 끌었지만, 완전히 개발되지는 않았다. 새로운 항생제에 대한 현재의 필요성은 Mtb 특이적인 에이전트로서 이 화합물에 대한 우리의 관심을 되살렸다. 세쿼마이신은 다른 에리트로마이신급 매크로라이드와 달리 Mtb에 대한 강력한 활성을 보인다는 점에서 매크로라이드 중에서 독특하다. 클라리트로마이신과 마찬가지로 리보솜 펩타이드 출구 터널과 상호 작용하지만, 에리트로마이신-급 매크로라이드와 비교하여 세쿼마이신의 다양한 효능을 설명하기에 충분한 구조적 차이가 있다. 실제로, erm37에 의한 메틸화는 다른 매크로라이드와 일치하는 세카나마이신 처리에 의해 유도되지만, 세카나마이신에 의한 억제에는 영향을 미치지 않는다. SEQ-9를 갖는 Mtb 리보솜의 크라이오-EM 구조는 메틸화된 리보솜에 대한 세콰나마이신의 효력을 유지하는 능력에 대한 분자적 기초가 모든 마크로라이드 항균제에서 발견되는 디소사민의 디메틸기와 일반적으로 입체적으로 겹칠 수 있는 A2058의 메틸화된 N6의 약간의 위치에 기인한다는 것을 분명히 보여준다. 세카나마이신은 부피가 큰 디메틸기가 부족하며, 이는 A2058의 N6의 약간 다른 위치와 결합하여 세카나마이신 매크로라이드가 친화력의 큰 손실 없이 포켓에 결합할 수 있게 한다.

 

SEQ-569 및 SEQ-977과 함께 T. Thermophilus 리보솜의 공동 결정 구조를 사용하여 효력뿐만 아니라 ADME 특성도 개선할 수 있는 수정을 합리화했습니다. 이러한 최적화는 SEQ-9로 이어졌으며, 대식세포 내에 존재하는 복제 및 비복제 Mtb, Mtb의 실험실 균주와 다중 임상 분리에 대해 강력한 체외 활성을 입증했다.

 

SEQ-9는 또한 새로운 항결핵제의 중요한 특징인 개별 1선 또는 2선 약물에 대한 MTB 내성에도 효과적이었다. SEQ-9의 약리학적 활성은 생쥐의 PK와 함께 폐 조직에 잘 분포하고 일일 경구 투여에 잘 적합할 수 있음을 보여준다. 급성 및 만성 감염 마우스 모델에서 이 화합물은 단일 약제로서 그리고 라인졸리드, 베다퀼린, 프레토마노이드 또는 피라진아마이드와 결합하여 생체 내 효능을 보였다. SEQ-9는 결핵의 마우스 모델에서 테스트된 모든 결핵 약물에서 첨가제 활성을 보여주었으며, 이는 이 부류의 마크롤라이드가 광범위한 결핵 약물 및 치료법에 이바지할 가능성이 있음을 시사한다. SEQ-9를 베다퀼린과 프리토마노이드와 결합했을 때 4주에서 8주 사이에 살균 효과의 현저한 가속이 입증되었다. 8주간의 치료 후, 베다퀼린/프레토마노이드/SEQ-9의 3가지 약물 조합은 평균 로그 CFU 수를 0.2로 감소시켰으며, SEQ-9의 부재(p < 0.01)에서 베다퀼린/프레토마노이드의 1.69에 비해 SEQ-9는 지난 4주간의 치료에서 베다퀼린/프레토마노이드에 상당한 살균 활성을 추가하는 능력을 보여주었다. 동일한 마우스 모델에 대한 이전 연구는 라인졸리드에 의한 베다퀼린/프레토마노이드에 대한 유사한 기여를 입증하며, Nix-TB 시험에서 XDR-TB의 치료에서 6개월 경구 요법으로 우수한 치료 결과를 산출한 3가지 약물 BPaL 요법을 생성했다. 이는 Mtb 리보솜을 대상으로 하는 치료용 무기를 풍부하게 할 수 있는 라인졸리드의 잠재적인 대안으로 세콰나마이신 시리즈가 추가로 탐구되어야 함을 시사한다.

 

연구의 한계

제시된 연구에서 우리가 사용하는 기술에는 몇 가지 한계가 있다. X선 결정 및 크라이오-EM 구조는 모두 리보솜의 3차원 밀도를 평균화하여 생성된 정적 구조이다. 바인딩 이벤트와 관련된 대부분의 동적 정보는 이러한 방법을 사용하여 직접 사용할 수 없으며 추론만 가능하다. 또한, 구조의 해상도는 우리가 비공유 상호 작용, 예를 들어 수소 결합의 거리를 근사할 수 있는 정도이다.

이 연구의 두 번째 한계는 세포 데이터와 질병의 마우스 모델을 이용한 효능 실험을 기반으로 한 세쿼마이신의 약리학, 독성 및 효능 예측에 있다. 대부분의 결핵 치료제에 대해 마우스와 인간의 효능 사이에 비교적 좋은 합의가 있지만, 이것이 세쿼마이신에 대해 사실인지 아닌지는 알 수 없다.

마버그 바이러스 발생: 연구원들은 백신 테스트를 위해 경쟁합니다.

NEWS

15 February 2023

Correction 17 February 2023

Marburg virus outbreak: researchers race to test vaccines

Control measures such as quarantine could end the outbreak in Equatorial Guinea quickly — good news for inhabitants but a mixed blessing for clinical trials.

Ewen Callaway

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00468-5

의 간단 번역입니다.

 

검역과 같은 통제 조치는 적도 기니의 발병을 신속하게 종식할 수 있습니다 – 주민들에게는 좋은 소식이지만 임상 시험에는 혼합된 축복입니다.

 

Marburg virus particles in infected tissue. The virus causes a deadly disease characterized by haemorrhagic fever.Credit: AMI Images/Science Photo Library

 

다중 마버그 바이러스 입자의 투과 전자 현미경 사진.

감염된 조직의 마버그 바이러스 입자. 이 바이러스는 출혈열을 특징으로 하는 치명적인 질병을 일으킵니다.

 

전 세계 보건 당국은 적도 기니가 2월 13일 마버그 바이러스 질병의 첫 발병을 확인한 후 실험용 백신이 치명적인 질병으로부터 보호할 수 있는지 테스트하기 위해 전력 질주하고 있습니다. 이 바이러스는 에볼라와 관련이 있으며 출혈열과 유사한 증상을 유발합니다. 치사율은 최대 88%입니다.

 

스위스 제네바에서 열린 세계 보건기구 (WHO)는 어제 긴급회의를 소집하여 다양한 개발 단계에 있는 마버그 백신 테스트의 타당성을 논의했습니다. 그러나 검역과 같은 다른 통제 조치가 단일 백신 용량을 투여하기 전에 발병을 종식할 수 있으므로 성공적인 시험에 반대할 가능성이 있다고 그들은 말합니다.

 

“나는 속도의 필요성을 충분히 강조할 수 없다”라고 런던 위생 및 열대 의학 학교의 전염병 학자인 존 에드먼즈 (John Edmunds)는 WHO 회의에서 말했다.

 

이 발병은 적도 기니 북부, 카메룬과 가봉과 국경을 접하고 있는 Kié-Ntem 지방에서 발생합니다. 25건의 의심되는 사례 중 9명의 사망자와 관련이 있으며, 첫 번째 알려진 사례는 1월 초로 거슬러 올라갑니다. 이것은 이전에 발견된 16 마버그 발병 중 많은 것보다 크다고 Edmunds는 Nature에 말합니다. “발병은 효과적인 개입이 시행된 후 작고 비교적 빨리 끝나는 경향이 있습니다.”

 

예외는 콩고 민주 공화국에서 1998-2000년에 발생하여 154건과 128명이 사망했으며 앙골라에서 2004-05년 전염병이 보고된 252건 중 227명이 사망했습니다.

 

까다로운 물류

이번 주 WHO 회의에서 관리들은 적도 기니에서 마버그 바이러스 백신 테스트의 실용성에 대해 논의했습니다. 모든 주요 경쟁자는 아스트라제네카와 영국 옥스퍼드 대학이 개발한 COVID-19 백신과 유사한 바이러스 벡터 백신입니다.

 

워싱턴 DC의 Sabin Vaccine Institute는 변형된 침팬지 아데노 바이러스를 사용하여 세포가 Marburg 바이러스 단백질을 만드는 지침을 전달하는 후보 백신을 보유하고 있으며, 벨기에 Beerse의 Janssen이 만든 후보는 회사의 성공적인 COVID-19 백신의 기반이 되는 인간 아데노 바이러스를 사용합니다 (Janssen은 Johnson and Johnson의 자회사입니다).

 

매사추세츠 주 케임브리지의 공중 보건 백신 (PHV), 뉴욕시의 국제 에이즈 백신 이니셔티브 (IAVI) 및 뉴욕주 펄 리버의 Auro Vaccines의 후보는 최초의 승인된 에볼라 백신에 사용된 벡터인 약화된 형태의 수포 구내염 바이러스를 기반으로 합니다.

 

개발자들은 회의에서 백신을 대량으로 사용할 수 없다고 말했다: 가용성은 Sabin 및 PHV 백신의 경우 수백 도즈에서 Janssen 후보의 경우 수천 회까지 다양합니다. IAVI는 사용 가능한 백신 용량이 없습니다. 얀센과 사빈 백신만이 미국에서 초기 단계의 시험에서 인간을 대상으로 테스트 되었습니다. 원숭이 연구에 따르면 모든 주요 후보는 마버그 바이러스 질병에 대한 강력한 보호를 제공합니다.

 

적도 기니에서 백신 시험이 진행된다면 WHO에 조언하는 독립적인 전문가 그룹이 어떤 백신을 테스트할 것인지에 대한 결정을 내릴 것이라고 WHO의 R&D Blueprint 공동으로 이끄는 Ana Maria Henao-Restrapo는 말합니다. 모든 시험은 적도 기니 정부의 허가와 개입이 필요합니다.

 

시험이 시작될 수 있다고 해도, 현재의 발병이 통제되기 전에 충분한 사례가 발생하여 연구자들이 백신이 효과적인지 아닌지를 결정적으로 결정할 수는 없다고 Edmunds는 말합니다. “양날의 검이지, 그렇지? 공중 보건과 적도 기니 사람들에게는 좋은 소식이지만 과학에는 나쁜 소식일 것입니다.”

 

그러나 모든 백신의 효과를 가리키는 증거는 여러 발병에 걸쳐 수집될 수 있다고 회의의 연구원들은 말했다. 적도 기니에서의 백신 시험은 또한 백신의 안전성과 향후 발병 위험이 있는 인구에서 생성되는 면역 반응에 대한 귀중한 데이터를 제공할 수 있습니다.

 

Nature 614, 603 (2023)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-00468-5

UPDATES & CORRECTIONS

Correction 17 February 2023: An earlier version of this article stated incorrectly that IAVI’s Marburg vaccine was being co-developed with Merck.

멀리 떨어진 바다, 육지에서 연어를 기르는 것이 물고기 양식

육지에서 연어를 기르는 것이 물고기 양식의 다음 큰일입니까?

 

OCEANS AWAY

Is raising salmon on land the next big thing in farming fish?

9 FEB 2023 BY ERIK STOKSTAD

https://www.science.org/content/article/oceans-away-raising-salmon-land-next-big-thing-farming-fish

의 간단 번역입니다.

 

노스필드, 위스콘신— 94번 고속도로를 타고 이 작은 마을을 지나갈 때 일부 운전자는 신비한 야행성 빛에 휩싸입니다. 분홍색 빛은 매년 최대 2백만 킬로그램의 샐러드 채소를 생산할 수 있는 세계 최대의 아쿠아 포닉 온실에서 나옵니다. 덜 분명하지만 이 규모에서 독특한 것은 작물을 비옥하게 하는 데 사용되는 영양소의 원천입니다: 대서양 연어로 가득 찬 거대한 인근 탱크에서 흐르는 폐수. 은빛 물고기는 야생 연어가 일반적으로 대부분의 삶을 보내는 바다에서 멀리 떨어진 실내에서 자랍니다.

 

최근 겨울날, 주변 농지가 눈으로 뒤덮인 스티브 서머펠트(Steve Summerfelt)가 물고기 집의 문을 열었습니다. 미터 길이의 수백 마리 물고기가 각 집 크기의 탱크에서 격렬하게 헤엄쳤고 오버헤드 크레인은 1톤의 사료 자루를 자동 디스펜서에 전달했습니다. 방음벽으로 어항과 분리된 모래로 채워진 덜컹거리는 펌프와 탱크는 물고기 똥을 제거한 폐수를 처리했습니다. 질소와 인은 광대한 온실로 전환되었고 정화된 물은 연어에게 재순환되었습니다. “때로는 물이 너무 깨끗해서 물고기가 공중에서 수영하는 것처럼 보입니다.”라고 회사의 R & D 책임자인 엔지니어 Summerfelt는 Superior Fresh라고 말합니다.

 

이 거대한 시설은 투자자들이 다음 큰 것은 양식 어류에 있다고 보고 돈을 쏟아부었기 때문에 최근 몇 년 동안 전 세계적으로 생겨난 수십 개의 실내 연어 양식 중 하나일 뿐입니다. 지난 12년 동안 분홍빛 양식 연어의 전 세계 매출은 거의 두 배인 120억 달러에 달했으며 수요는 계속 증가할 것으로 예상합니다. 전통적으로 그 보상은 연안 해역에 있는 그물 펜이라고 불리는 큰 부유 케이지에서 제기되었습니다. 그러나 환경 문제와 제한된 확장 공간으로 인해 기업들은 해안으로 이동하는 작업을 모색하게 되었습니다.

 

“업계는 이것이 확장하는 방법이라는 것을 깨닫고 있습니다.”라고 지속 가능한 양식을 지원하는 비영리 연구 기관인 보존 기금 담수 연구소의 연구 책임자인 크리스 굿 (Chris Good)은 말합니다. 기업들은 궁극적으로 육상 시설에서 엄청난 수의 연어를 키울 수 있기를 희망하는 기술을 미세 조정하고 있습니다. 이 냉수 어류는 이미 아열대 플로리다와 건조한 고비 사막을 포함한 일부 불가능한 장소에서 발견될 수 있습니다.

Steve Summerfelt

현재 Superior Fresh에서 근무하고 있는 Steve Summerfelt는 대서양 연어를 육지에서 완전히 양식할 수 있도록 도왔습니다. 나라얀 마혼

 

연어 양식이 육지에서 번성하고 기존 공급원과 경쟁하려면 기업은 어류 폐기물을 처리하고 탱크에서 번성하는 연어 변종 개발을 포함하여 몇 가지 어려운 문제를 극복해야 합니다. 또 다른 육상 양식 회사인 Atlantic Sapphire의 최고 재무 책임자인 Karl Øystein Øyehaug는 연어를 재배하는 것은 다른 해산물 종을 양식하는 것보다 “훨씬 더 복잡하다”라고 말합니다. 이러한 도전 과제는 대학과 정부 연구소에서 활발한 연구 노력을 주도하고 있습니다.

 

이곳 위스콘신 시골에서 담수 연구소에서 26년 동안 양식 연구를 수행한 Summerfelt는 혁신적인 솔루션을 실행하는 연어 목장을 시작하는 데 도움을 주었습니다. 이 물고기는 대부분의 연어 양식장과 달리 바닷물 한 방울도 만지지 않습니다. 물을 정화하는 필터는 다른 곳에서 흔히 볼 수 있는 값비싼 재료 대신 값싼 모래를 사용합니다. 그리고 단순히 폐기물을 버리는 대신 Superior Fresh는 거대한 빛나는 온실에서 작물을 위한 비료로 재활용합니다.

 

Summerfelt는 이러한 접근 방식이 육상 연어 양식장을 경제적으로 실행 가능하고 환경적으로 건전하게 만드는 열쇠라고 믿습니다. 그들은 또한 그를 업계에서 매버릭으로 만들었습니다. 그런데도 Summerfelt는 “큰 영향을 미쳤다”라고 양식 연어의 선도적인 생산자인 노르웨이의 Cermaq Group의 어류 생리 학자 Bendik Fyhn Terjesen은 말합니다. “업계의 모든 사람은 그와 그의 일을 알고 있습니다.”

 

연어는 해산물로 간주하지만, 야생 연어는 육지에서 낯선 사람이 아닙니다. 새끼들은 암컷이 각각 수천 개의 알을 낳는 해안 개울에서 삶을 시작합니다. 새로운 세대는 손 크기의 스몰트로 바다로 하류로 향합니다. 성인 물고기는 일반적으로 산란을 위해 고향으로 돌아가기 전에 몇 년 동안 공해를 방황합니다.

 

1730년대에 독일의 한 박물학자가 개울에서 연어 알을 가져와 부화시키기 시작했습니다. 한 세기도 채 지나지 않아 유럽인들은 감소하는 야생 자원을 보충하기 위해 물고기를 대량으로 기르기 위해 부화장을 짓고 있었습니다. 이러한 노력은 큰 성공을 거두지 못했지만 1960년대에 연어 양식 산업의 출현을 촉진했습니다. 노르웨이 농부들은 특수 사료로 살찐 대서양 연어를 키우기 위해 피요르드에 떠 있는 새장을 사용하기 시작했습니다. 차갑고 깨끗한 물은 물고기가 익숙한 것이었고 포식자로부터 보호되었습니다. 오늘날 그물 우리에서 자란 물고기, 특히 노르웨이와 칠레에서 자란 물고기는 매년 전 세계적으로 먹는 3.7 백만 톤의 연어 중 70%를 차지합니다.

 

산업이 호황을 누리고 소비자 수요가 둔화할 기미가 보이지 않더라도 제약에 직면하기 시작했습니다. 주요 근해 지역은 이미 펜으로 가득 차 있으며 일부 해안 지역 사회는 전망, 레크리에이션 보트 및 상업 낚시에 미치는 영향에 대해 우려하여 새로운 농장에 저항했습니다. 연구원, 규제 기관 및 환경 단체는 밀집된 물고기로 인해 발생하는 오염뿐만 아니라 양식 연어에서 야생 연어로 퍼질 수 있는 기생 이와 질병에 대해 경종을 울렸습니다. 그들은 또한 탈출자들이 야생 물고기와 번식하여 잠재적으로 토착 생물의 유전적 구성을 약화할 수 있다고 지적합니다. 이러한 우려로 인해 브리티시 컬럼비아와 워싱턴주를 포함한 일부 지역에서는 새로운 연안 양식장을 금지하거나 제한하는 것을 고려하게 되었습니다.

 

이러한 개발은 재순환 양식 시스템으로 알려진 것을 사용하여 육지에서 연어를 완전히 재배하려는 노력을 촉진했습니다. 이 접근법은 몇 가지 이점을 제공한다고 연구원들은 말합니다. 육상 시설은 관리자가 환경 조건을 통제하고 질병 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있으며 해양 농장과 같은 공간 제한에 직면하지 않습니다. 생산은 또한 시장에 더 가깝게 이동할 수 있으며, 원칙적으로 육지에서 연어를 재배하면 오염 위험이 포함될 수 있습니다.

a gloved hand harvesting a salmon

탱크 간에 연어를 옮기는 동안 작업자는 연어의 기형, 부상 또는 부적절한 성장이 있는지 확인합니다. 나라얀 마혼

 

매사추세츠주 메이 너드에 본사를 두고 있는 AquaBounty는 오랫동안 탱크에서 연어가 증가할 것으로 예상했습니다. 1991년에 회사는 더 빠르고 효율적인 성장을 위해 유전자 조작된 대서양 연어 종류를 상용화하기 시작했습니다. 몇 년 후 미국과 캐나다의 규제 당국이 마침내 이 물고기의 판매를 승인했을 때, 그들은 야생 물고기와의 이종 교배를 방지하기 위해 연어를 완전히 육지에서 키울 것을 요구했습니다. 이 회사는 현재 인디애나와 프린스 에드워드 아일랜드의 두 농장에서 최대 1450톤을 키우고 있으며 오하이오에 세 번째 농장을 건설하고 있습니다.

 

지난 10년 동안 투자자들은 새로운 육상 연어 양식장에 수십억 달러를 쏟아부었습니다. Atlantic Sapphire는 2031년까지 연간 220,000톤을 성장시키는 것을 목표로 하는 가장 큰 야망을 품고 있습니다. 이 회사의 노르웨이 설립자들은 노르웨이에서 비싸고 탄소 집약적인 항공 화물이 필요하지 않도록 북미 시장 근처에서 연어를 사육하고 판매하기를 원했습니다. “우리는 그것을 연어 시장의 광기라고 부릅니다.”라고 Øyehaug는 말합니다.

 

회사는 에버글레이즈 근처의 플로리다에 가게를 설립하기로 했습니다. 있을 법하지 않은 위치처럼 보일 수 있지만, 경영진은 이 사이트에 몇 가지 숨겨진 이점이 있다고 말합니다: 한 대수층에서 갓 태어난 연어를 위해 담수를 펌핑하고, 일반적으로 바다로 이동하는 스몰트를 위해 다른 대수층에서 바닷물을 펌핑한 다음 폐수를 별도의 동굴에 주입할 수 있습니다. “우리가 하는 일은 모두 완벽해야 하는 수많은 다양한 수질 매개변수를 세밀하게 관리하는 것입니다.”라고 Øyehaug는 말합니다. 올바르게 수행하는 것은 까다로울 수 있습니다. 2021년에는 배수구가 막혀 탁도가 증가하여 치명적인 가스를 생성할 수 있는 후 플로리다 시설에서 약 500,000마리의 연어가 사망했습니다. 그해의 생산량은 2400톤으로 장거리 목표에 훨씬 못 미쳤습니다. (슈페리어 프레시는 연간 약 680톤의 연어를 판매합니다.)

 

다른 회사들은 메인과 캘리포니아에 연어 양식장을 건설하려는 계획에 대한 항의에 직면했습니다. 일부 지역 사회는 농장이 귀중한 지하수를 고갈시키거나 대수층 또는 지표수를 폐기물로 오염시킬 것이라고 우려합니다. 메릴랜드의 한 회사는 과학자들이 폐수가 멸종 위기에 처한 철갑상어에게 해를 끼칠 수 있다고 말한 후 농장 건설 계획을 취소했습니다.

 

현재 59세인 서머펠트는 일주일에 최소 4일은 연어를 먹습니다. 그가 혈액 검사를 받았을 때, 기름진 생선에서 발견되는 건강에 좋은 화합물인 오메가-3 지방산의 수치는 “차트에서 벗어났다”고 그는 말합니다. 그는 수십 년 동안, 보다 지속 가능한 방식으로 물고기를 양식하는 방법에 대해 생각해 왔습니다. 1980년대 후반, 화학 공학을 공부한 후 그는 박사 과정을 찾고 있었습니다. 어류 생물학자인 그의 아버지는 버려진 폐수 처리장을 양식장으로 전환할 가능성을 검토할 것을 제안했습니다. “재미있을 것 같군.” 그는 생각했던 것을 기억합니다. 프로젝트를 마무리한 후 그의 첫 직장은 담수 연구소였습니다.

 

Summerfelt는 결국 연구소의 양식 연구 책임자가 되었고 대서양 연어를 상업적으로 양식하기 위한 당시 최대 규모의 데모 유닛을 개발하는 데 도움을 주었습니다. 2013년에 그는 스티븐스 포인트 (Stevens Point)의 위스콘신 대학교 (University of Wisconsin)를 최근 졸업한 브랜든 고트 사커 (Brandon Gottsacker)와 접촉하여 양식장 설립에 관심이 있었습니다. Gottsacker는 Freshwater Institute에서 1년을 공부한 후 그와 Summerfelt는 Karen Wanek과 그녀의 남편인 Todd Wanek, 세계 최대 가구 제조업체인 Ashley Furniture의 소유자이자 CEO가 지원하는 Superior Fresh에 대한 계획을 세웠습니다.

 

이 회사는 2016년에 파일럿 규모의 공장에서 연어를 기르기 시작했습니다. 10년 후, Summerfelt는 Freshwater Institute를 떠나 Superior Fresh에 풀타임으로 합류했습니다. “나는 마침내 ‘뛰어들고 싶다’라고 말했는데, 업계의 다른 누구도 제대로 하는 것을 볼 수 없었기 때문입니다.” 공장은 이후 10배 확장되었습니다. 이제 12개의 탱크는 수확 시 최대 50,000 킬로그램의 물고기를 담고 있습니다.

 

슈페리어 프레시를 디자인함으로써 서머펠트는 그의 비정통적인 아이디어를 실현할 수 있는 기회를 얻었습니다. 하나는 폐기물을 다루는 것과 관련이 있었는데, 이는 제한된 동물이 있는 모든 공장식 농장이 직면한 문제입니다. 그물 펜 양식에서는 사료의 인 중 최대 80%와 질소의 60%가 낭비되어 일부는 먹지 않고 표류하고 물고기는 사용하지 않은 영양소를 배설합니다. 남은 영양소는 해로운 녹조와 연안 해수의 산성화를 촉진할 수 있습니다.

 

육지에서 연어 양식업자는 다른 옵션을 가지고 있습니다. 예를 들어, Atlantic Sapphire는 고형 폐기물을 매립하고 액체 폐기물을 지하로 펌핑합니다. 다른 회사들은 폐기물을 에너지로 연소되는 바이오 가스로 전환합니다. 슈페리어 프레시는 영양소에서 가능한 한 많은 가치를 추출하기 위해 약 2000개의 슈퍼마켓과 편의점에서 판매되는 온실 작물을 재배하는 데 사용합니다. 그들은 또한 인근 들판의 토양 영양분을 복원합니다.

 

연어와 샐러드

새로운 육상 연어 양식장은 해양 생산보다 환경적 이점이 있습니다. 그러나 그들은 탱크에 있는 많은 연어의 폐기물을 처리해야 하는 도전에 직면해 있습니다. Superior Fresh라는 한 회사는 물을 재활용하고 생선 폐기물을 인접한 온실의 비료로 전환합니다. 나머지는 필드에 추가됩니다.

 

실내 탱크의 미생물은 폐수의 독성 암모니아를 식물에서 사용할 수 있는 질소의 한 형태인 질산염으로 변환할 수 있습니다. 대부분의 육상 연어 양식장은 물을 정화하기 위해 움직이는 침대 생물 반응기라는 기술에 의존합니다. 버블링 물에서 소용돌이치는 수많은 작은 플라스틱 칩을 사용하여 미생물 군집을 위한 기질을 제공합니다. 그러나 Summerfelt는 미생물이 식민지화하기에 훨씬 더 큰 표면적을 제공하는 모래 알갱이를 포함하는 바이오 필터를 사용하는 다른 접근 방식을 오랫동안 연구해 왔습니다. 모래도 저렴하고 쉽게 구할 수 있습니다.

 

슈페리어 프레시(Superior Fresh)의 생선 사육장 안에 있는 서머펠트(Summerfelt)의 6m 높이의 모래 바이오필터는 수영장 크기의 웅덩이 위에 우뚝 솟아 있습니다. 대형 펌프는 배수관을 통해 지속해서 물을 밀어 올립니다. “전체 기술은 모래바닥이 무너지지 않도록 지속적으로 들어 올리기 위해 그 아래에 물을 주입하는 것을 기반으로 합니다.”라고 Summerfelt는 말합니다. Superior Fresh는 여과 시스템의 다른 측면을 기밀로 유지하고 사진 촬영을 금지합니다.

 

대부분의 다른 양식장과 달리 Superior Fresh의 연어는 평생을 담수에서 보냅니다. 소금 없이는 모든 것이 더 간단하다고 Summerfelt는 말합니다. 담수는 금속 펌프 및 파이프의 부식이 적고 오존을 사용하여 물을 정화할 위험이 적다는 것을 의미합니다. 바닷물에서 오존은 독성 브롬을 축적할 수 있습니다. 소금이 없으면 바이오 솔리드를 퇴비화하고 액체를 인근 농장으로 전환할 수 있으므로 폐기물을 더 쉽게 처리할 수 있습니다. (소금으로 오염된 경우 비 스타터).

 

다른 회사들은 두 가지 접근 방식에 대한 Summerfelt의 열정을 공유하지 않습니다. 그들은 담수가 더 간단할 수 있지만, 반드시 물고기에게 최적은 아니라고 제안합니다. 어린 연어는 염분을 처음 만났을 때 급성장하며, 기수는 연어의 물과 이온 조절에 최적입니다. 담수에서는 올바른 균형을 유지하면서 더 많은 에너지를 소비해야 하므로 잠재적으로 성장이 느려질 수 있습니다. 소금기가 있는 물은 또한 세균성 질병을 억제할 수 있습니다. 그리고 일부 생산자는 바닷물이 맛을 향상한다고 생각합니다.

 

모래를 필터로 사용하는 것도 문제가 될 수 있다고 연구원들은 말합니다. “제대로 운영되면 좋습니다.”라고 Orono의 메인 대학의 양식 연구소를 지휘하는 동물 건강 전문가 Deborah Bouchard는 말합니다. 그러나 질병이 발생하면 모래를 소독하기가 훨씬 더 어려울 수 있습니다. Terjesen은 또 다른 우려를 덧붙입니다: “모래가 바이오 필터에서 빠져나오면 펌프에 큰 문제가 생겨 즉시 고장 날 것입니다.”

 

연어로 가득 찬 탱크 또 다른 예상치 못한 위치인 볼티모어 시내의 지하실은 육지에서 건강한 물고기를 효율적으로 기르기 위한 다른 접근 방식의 시험장입니다. 그곳에서 메릴랜드 해양 및 환경 기술 연구소 (IMET) 대학 시스템의 물고기 생식 생리 학자 Yonathan Zohar는 최근 4미터 너비의 탱크에 갈색 펠릿 한 줌을 던졌습니다. “조심해, 물고기들이 튀어나와.” 수백 마리의 큰 연어가 먹이를 잡으려고 달려들자 그가 말했다. 이 장면은 2021년 9월 미국 농무부가 자금을 지원하는 10 백만 달러 컨소시엄의 일부입니다. 양식업을 전문으로 하는 Zohar가 이끄는 파트너들은 다양한 생물학적 및 공학적 과제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다.

 

하나는 수질입니다. 탱크는 윙윙거리고, 버블링되고, 거품이 나는 여과 파이프와 장비의 얽힘으로 둘러싸여 있었습니다. Zohar와 그의 동료들은 이러한 필터 내부에 서식하는 미생물을 연구하고 있으며 궁극적으로 육상 농장에서 사용되는 특정 어류 종류, 사료 및 조건에 맞는 박테리아 군집을 개발하여 수질을 더 쉽게 유지할 수 있기를 희망합니다. “최적의 미생물을 사용하면 프로세스가 더 빠르고 효율적입니다.”라고 IMET의 미생물 학자 Keiko Saito는 말합니다. “자연의 생태계처럼 균형이 잡혀 있습니다.”

a greenhouse connected to salmon tanks bathed in pink light

분홍색 조명은 Superior Fresh의 잎이 많은 채소가 세계에서 가장 큰 아쿠아포닉 온실에서 밤새 자라는 데 도움이 됩니다. 슈페리어 프레시

 

근처에는 열렬한 낚시꾼이자 땜장이인 박사과정 학생 매튜 스트롬버그(Matthew Stromberg)가 어깨높이의 파란색 금속 탱크인 정화실의 컨트롤을 만지작거리고 있었습니다. 그는 자외선(UV)과 티타늄 촉매에 의존하여 육지에서 자란 연어에 탁한 맛을 줄 수 있는 수성 화학 물질을 분해하는 시스템을 테스트하고 있습니다. 생물막에서 자라는 박테리아는 이러한 대사 산물, 지오스민 및 2-메틸 이소보르 네올을 생성하며, 깨끗하고 처리되지 않은 물로 별도의 탱크에서 연어를 정화하여 제거할 수 있습니다. 그러나 이 단계는 시간과 비용을 추가합니다. Summerfelt는 Superior Fresh에서 UV 시스템을 테스트하고 있습니다. 작년에 그와 다른 사람들은 양식업 공학에서 Exciton Clean이 제조 한 시스템이 원치 않는 분자를 효율적으로 줄인다고 보고했습니다.

 

별도의 방에서 Zohar와 그의 동료들은 평생을 포로 상태로 보내기 위해 연어를 최적화하기 위해 노력하고 있습니다. 이곳에서는 각각 완두콩 크기의 반투명 오렌지 연어 알 수천 개가 들어 있는 쟁반이 냉장실에 놓여 있습니다. 알은 메인의 연구 파트너가 사육한 인근 탱크의 성체 연어에서 나옵니다. 진행중인 시험의 일환으로 Zohar와 그의 IMET 동료 Ten-Tsao Wong은 생식선의 발달을 방해하기 위해 안티센스 RNA가 들어있는 욕조에 수정되지 않은 난자 중 일부를 담글 것입니다.

 

목표는 연어의 성적 성숙을 방지하여 물고기가 근육 성장에 에너지를 계속 투자하여 큰 필레를 보장하는 것입니다. 연구자들은 성적으로 미성숙한 물고기는 스트레스에 덜 민감하여 육체가 덜 매력적일 수 있다고 지적합니다. 궁극적으로, 안티센스는 물고기를 유전자 변형하지 않고 성숙을 막기 위해 상업적 운영에 사용될 수 있습니다.

 

탱크에 갇힌 원양 물고기의 경우 스트레스는 특히 취급될 때 지속적인 위험입니다. “물고기가 움직이고 싶지 않을 때, 그들은 정말로 스스로를 다치게 할 수 있습니다.”라고 노르웨이 식품 연구소인 Nofima의 양식 연구원인 Åsa Maria Espmark는 말합니다.

aerial view of Superior Fresh plant

위스콘신 시골의 세계에서 가장 큰 아쿠아포닉 온실은 인접한 연어 양식장(녹색 벽이 있는 먼 건물)에서 파이프로 공급되는 폐수에서 질소 비료를 얻습니다. 슈페리어 프레시

 

Summerfelt와 그의 동료들은 물고기를 침착하게 유지하는 데 관심이 있습니다. 가장 큰 문제는 성장하는 물고기를 큰 원심 펌프가 필요한 가장 큰 탱크로 옮겨야 할 때 발생합니다. 공중제비 여행으로 인해 일부 물고기는 멍이 들고 며칠 동안 먹기를 꺼릴 수 있습니다.

 

Superior Fresh의 연어를 수확할 때가 되면 방수 의류를 입은 작업자는 손잡이가 긴 그물을 사용하여 물고기를 휴대용 수문으로 조심스럽게 들어 올립니다. 몇 초 안에 그들은 기절시키는 기계에 착륙합니다. 하루 만에 세척된 생선은 트럭으로 시장에 보내져 킬로그램 당 10달러 이상을 가져올 수 있습니다.

 

이는 가장 저렴한 펜으로 키운 연어 가격의 약 두 배입니다. 그리고 분석가들은 육상 농장이 비용 경쟁을 벌이는 것이 어려울 것이라고 말합니다. 그러나 Superior Fresh 및 기타 회사는 현지에서 생산되고 때로는 더 높은 품질의 생선을 제공함으로써 구매자를 찾았습니다. 예를 들어, Superior Fresh는 더 많은 생선 기름을 함유한 사료가 회사의 연어에 다른 양식 연어보다 건강에 좋은 오메가-3 지방산의 두 배를 제공한다고 주장합니다. 이 회사는 또한 연어 양식장을 온실과 통합함으로써 수익성 있고 환경에 민감한 비즈니스의 모델이 될 수 있다고 확신합니다.

 

Superior Fresh는 이미 동부 및 서부 해안에 새로운 농장을 확장하여 확장할 계획을 하고 있습니다. 그리고 Summerfelt는 양식 관행을 개선하는 방법에 대해 다시 한번 생각하고 있습니다. 예를 들어, 그는 각각 3만 리터의 물과 약 67,500마리의 반짝이는 연어를 담고 있는 더 큰 탱크를 사용할 계획입니다. “그것은 규모의 경제에 관한 것입니다.”라고 그는 말합니다. 그리고 육지에는 물고기를 위한 충분한 공간이 있습니다.

doi: 10.1126/science.adh0766

모두를 위한 MRI

휴대용 저자장 스캐너는 부유한 국가와 가난한 국가의 의료 영상에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

MRI FOR ALL

Portable low-field scanners could revolutionize medical imaging in nations rich and poor—if doctors embrace them

23 FEB 2023BYADRIAN CHO

https://www.science.org/content/article/mri-all-cheap-portable-scanners-aim-revolutionize-medical-imaging

 

은발의 충격을 받은 70대 남성인 이 환자는 예일 뉴헤이븐 병원의 신경 집중 치료실(신경 ICU)에 누워 있습니다. 그를 보면 며칠 전에 뇌하수체에서 종양이 제거되었다는 것을 결코 알지 못할 것입니다. 수술은 표준과 같이 외과의가 코를 통해 종양에 도달했기 때문에 흔적을 남기지 않았습니다. 그는 테스트중인 새롭고 잠재적으로 혁신적인 장치로 진행 상황을 확인하기 위해 온 한 쌍의 연구원과 유쾌하게 이야기합니다.

 

원통형 기계는 가슴 높이에 서 있으며 스타 워즈 로봇 인 R2D2의 우울한 형이 될 수 있습니다. 연구원 중 한 명이 630kg의 자체 추진 스캐너를 침대 머리까지 조심스럽게 안내하고 조이스틱으로 조종합니다. 연구원들은 침대 시트로 남자를 들어 올려 하이퍼파인이라는 회사에서 만든 휴대용 자기 공명 영상(MRI) 스캐너인 급습(Swoop)에 머리를 편하게 할 수 있도록 도와줍니다.

 

“귀마개를 원하십니까?”두 번째 연구원 인 Vineetha Yadlapalli가 묻습니다.

“일반 MRI만큼 시끄럽습니까?”

“전혀.”

“그럼 필요 없을 것 같아요.”

 

Yadlapalli는 환자의 다리를 받쳐서 등의 부담을 덜어준 후 iPad에서 몇 가지 지침을 탭하여 기계를 작동시킵니다. 기계가 낮은 으르렁 거리는 소리를 낸 다음 신호음과 딸깍 소리를 내며 계속합니다. 몇 분 안에 환자의 뇌 이미지가 Yadlapalli의 태블릿에 나타납니다.

 

30분 동안 남자는 조용히 누워 손을 배에 접었습니다. 그는 구식 헤어 드라이어에서 머리를 할 수 있습니다. 작은 의미에서 그는 이전에 한 번도 가본 적이 없는 곳에서 MRI를 찍는 데 도움을 주는 선구자입니다.

 

많은 경우 MRI는 의료 영상의 황금 표준을 설정합니다. 최초의 유용한 MRI 이미지는 1970년대 후반에 나타났습니다. 10년 이내에 상업용 스캐너가 의학을 통해 퍼져 의사는 뼈뿐만 아니라 연한 조직을 이미지화할 수 있게 되었습니다. 의사가 뇌졸중이 있거나 종양이 생기거나 무릎 연골이 찢어진 것으로 의심되면 MRI를 처방할 것입니다.

 

운이 좋으면 하나를 얻을 수 있습니다. MRI 스캐너는 자기장을 사용하여 살아있는 조직의 원자핵, 특히 수소 원자의 중심에 있는 양성자를 빙글빙글 돌려 전파를 방출합니다. 이 필드를 생성하기 위해 표준 스캐너는 기계 비용을 1.5백만 달러 이상으로 끌어올리는 크고 강력한 초전도 전자석을 사용하여 MRI 가격을 전 세계 인구의 70%가 사용할 수 없는 수준으로 책정합니다. 미국에서도 MRI를 받으려면 며칠을 기다려야 하고 한밤중에 멀리 떨어진 병원까지 운전해야 할 수도 있습니다. 환자는 스캐너로 와야 하며 그 반대가 되어서는 안 됩니다.

 

수년 동안 일부 연구자들은 책상 장난감에서 흔히 볼 수 있는 합금으로 만들어진 훨씬 더 작은 영구 자석을 사용하는 스캐너를 만들기 위해 노력해 왔습니다. 그들은 표준 MRI 자석보다 약 1/25 강한 자기장을 생성하는데, 한때는 너무 약해서 사용 가능한 이미지를 수집할 수 없었습니다. 그러나 더 나은 전자 장치, 보다 효율적인 자료수집 및 새로운 신호 처리 기술 덕분에 여러 그룹이 표준 MRI보다 해상도가 낮지만 낮은 필드에서 뇌를 이미지화했습니다. 그 결과 환자의 침대로 굴러갈 수 있을 만큼 작고 전 세계에서 MRI에 액세스할 수 있을 만큼 저렴할 수 있는 스캐너가 탄생했습니다.

 

Low-field MRI brain scan. The image is grainy, but shows the structure of the brain and a lighter-colored patch on the left side.

Traditional MRI scan of the same brain. The image is clearer, and the same light-colored patch is visible in more detail.

저필드 기계(첫 번째 이미지)의 뇌 스캔 해상도는 기존 MRI(두 번째 이미지)보다 거칠지만 두 이미지 모두 출혈을 분명히 드러냅니다. 예일 의과 대학

 

기계는 기술적 승리를 표시합니다. 하이퍼파인 스캐너를 테스트하고 있는 미국 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)의 생의학 엔지니어인 캐서린 키넌(Kathryn Keenan)은 “모든 사람이 이 스캐너가 작동한다는 사실에 깊은 인상을 받았다”고 말합니다. 어떤 사람들은 스캐너가 의료 영상도 변화시킬 수 있다고 말합니다. “우리는 잠재적으로 완전히 새로운 분야를 열고 있다”라고 예일 의과 대학의 신경 학자인 케빈 셰스 (Kevin Sheth)는 Swoop과 광범위하게 일했지만, Hyperfine에 재정적인 관심은 없다. “‘이런 일이 일어날 것인가’의 문제가 아닙니다. 그것은 일이 될 것입니다.”

 

2020년 8월, Swoop은 뇌 이미징을 위해 미국 식품의약국(FDA) 승인을 획득한 최초의 저자장 스캐너가 되었으며 의사들은 예일 뉴헤이븐 및 기타 지역에서 임상 연구를 진행하고 있습니다. 다른 장치는 뒤에 있습니다. 그러나 물리학자이자 컨설팅 회사인 NeuvoMR, LLC의 설립자인 Andrew McDowell은 해상도가 낮은 저자장 스캐너 시장이 있는지는 확실하지 않다고 경고합니다. “진정한 도전은 의사들이 그것을 사용하기 시작하도록 설득하는 것입니다.”라고 그는 말합니다. “정당한 이유로 그들은 매우 보수적이기 때문에 매우 어렵습니다.”

 

MRI 스캐너는 카메라처럼 작동하지 않습니다. 실제로 살아있는 조직의 양성자에 맞추는 라디오입니다. 작은 나침반 바늘처럼 각 양성자는 자성이며 일반적으로 양성자는 모든 방향으로 무작위로 가리 킵니다 (아래 그래픽 참조). 그러나 외부 자기장이 이들을 정렬할 수 있습니다. 이 시점에서 적절한 주파수와 지속 시간의 전파 펄스가 90° 기울일 수 있습니다. 그런 다음 정렬된 양성자는 자이로스코프처럼 빙글빙글 돌면서 자체 무선 신호를 방출하며, 그 주파수는 자기장의 강도에 따라 증가합니다.

 

그 덧없는 모노톤 라디오 윙윙거리는 소리는 거의 드러내지 않습니다. 이미지를 만들려면 스캐너가 신체의 다른 지점에서 오는 파도를 구별해야 합니다. 이를 위해 자기장을 조각하여 다른 위치의 양성자가 다른 주파수와 동기화 상태에서 노래하도록합니다. 스캐너는 또한 한 유형의 조직을 다른 조직과 구별해야 하며, 이는 무선 신호가 다른 조직에서 다른 속도로 퇴색한다는 사실을 이용하여 수행합니다.

 

신호가 사라지는 한 가지 이유는 양성자가 자체 자기장을 통해 서로 정렬되지 않기 때문입니다. 이것이 일어나는 속도는 예를 들어 지방 뇌 물질과 물 뇌척수액 사이에서 다릅니다. 속도를 측정하기 위해 스캐너는 펄스 쌍을 적용합니다. 첫 번째 펄스는 빙글빙글 도는 양성자의 방향이 펼쳐지면서 희미해지는 신호를 생성합니다. 두 번째는 그 진화의 많은 부분을 뒤집어 신호의 반향을 이끌어냅니다. 그러나 양성자-양성자 상호 작용은 그 에코를 음소거합니다. 따라서 스캐너는 두 펄스 사이의 지연이 증가함에 따라 에코가 어떻게 줄어들는지 추적하여 속도를 측정할 수 있습니다.

 

한 쌍의 펄스를 적용하는 동안 스캐너는 뇌의 다른 지점에서 오는 에코를 동시에 정렬해야 합니다. 이를 위해서는 중요한 순간에 적용된 자기장 구배에 의존합니다. 예를 들어, 턱에서 정수리까지 에코 중에 적용된 그라디언트는 머리를 통해 다른 측면 조각의 양성자를 다른 주파수로 방사합니다. 펄스 사이와 머리를 가로질러 적용된 그라디언트는 빙글빙글 돌기에서 앞이나 뒤에 수직 슬라이스로 양성자를 설정하며, 일부 슬라이스의 에코가 서로를 강화하고 다른 슬라이스를 취소하는 “위상”차이 입니다. 그래디언트를 변경하여 스캐너는 각 슬라이스에서 에코의 강도를 추론할 수 있습니다.

 

많은 반복을 통해 스캐너는 강도가 지연, 주파수 및 위상에 따라 변하는 과다한 에코를 수집합니다. 표준 수학적 알고리즘은 이를 디코딩하여 양성자 – 양성자 상호 작용이 뇌 전체에서 어떻게 변하는지 지도를 생성하여 한 가지 유형의 MRI 이미지를 형성합니다. 다른 펄스 시퀀스는 유체 흐름을 추적할 수 있는 양성자 확산 속도와 같은 다른 조직 특이적 프로세스를 조사합니다.

이 모든 맥동은 MRI 스캔에 시간이 걸리는 이유와 MRI 기계가 짹짹 울리고, 딸깍 소리를 내고, 윙윙 거리는 이유를 설명합니다. 이러한 소리는 기계적 응력이 자기 구배를 생성하는 전류 전달 코일을 덜거덕거리면서 나타납니다. 기술자는 그 소리만으로 기계가 어떤 종류의 스캔을 하고 있는지 알 수 있다고 Yadlapalli는 말합니다.

 

더 강한 필드는 양성자를 더 철저히 편광하고 더 큰 신호를 생성함으로써 이 모든 것을 더 쉽게 만듭니다. 표준 스캐너의 자석은 지구 자기장의 30,000배에 달하는 1.5 테슬라의 자기장을 생성하며 일부는 3 또는 7테슬라에 이릅니다. 그런데도 1.5 테슬라 필드를 가리키는 양성자는 반대 방향을 가리키는 양성자보다 0.001 % 만 많습니다. 전계 강도를 25배 줄이면 분극도 함께 떨어집니다. 신호 대 잡음비는 거의 300배까지 훨씬 더 급락합니다.

 

원칙적으로, 저자장 스캐너는 전파 천문학자들이 몇 시간 또는 며칠 동안 별에 대한 요리를 훈련시켜 소음으로부터 약한 신호를 가려내는 것처럼 장기간에 걸쳐 자료를 수집하여 소음으로부터 신호를 유도할 수 있습니다. 그 방침은 그렇게 오래 가만히 있을 수 있는 인간에게는 작동하지 않을 것입니다. 따라서 저자장 MRI를 개발할 때 연구원들은 데이터를 훨씬 빠르게 추출할 방법을 찾아야 했습니다.

 

한 가지 핵심 요소는 더 나은 하드웨어라고 독일 파라과이 대학의 신경 엔지니어 인 Joshua Harper는 말합니다. “우리는 이제 정말 빠르고 저렴한 전자 제품을 가지고 있습니다.”라고 그는 말합니다. “그것이 정말로 작동하는 이유입니다.” 그런데도 병실에서 낮은 필드 MRI를 수행하는 것은 까다롭습니다. 다른 기계의 금속과 벽조차도 필드를 왜곡시킬 수 있으며 다른 장치의 정전기는 무선 신호를 방해할 수 있습니다. 따라서 스캐너는 대책을 사용합니다. 예를 들어, Hyperfine의 Swoop은 노이즈 캔슬링 헤드폰이 소리를 차단하는 방식과 유사하게 안테나를 사용하여 라디오 노이즈를 측정하고 취소합니다.

 

새로운 스캐너는 또한 더 빠르게 실행하기 위해 하단 필드의 측면을 유리하게 전환합니다. 양성자를 조작하려면 고자장 스캐너가 더 높은 주파수, 더 높은 에너지 전파를 사용해야 하므로 환자를 가열하기 시작하기 전에 너무 빨리 맥박할 수 있습니다. 이러한 속도 제한에서 벗어나 저자장 스캐너는 더 빠르게 펄스하고 더 효율적인 펄스 시퀀스를 사용할 수 있다고 Hyperfine을 공동 설립한 물리학자인 매사추세츠 종합 병원의 Matthew Rosen은 말합니다. “우리는 당신이 높은 필드에서 결코 할 수 없었던 일을 매우 빠르게 심문할 수 있습니다.”

 

그런데도 표준 이미지 재구성을 위해 충분히 빠르게 자료를 수집하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 한 가지 해결책은 인공 지능을 포함한 새로운 신호 처리 기술을 사용하는 것입니다. 하이퍼파인 엔지니어는 일련의 훈련 이미지를 사용하여 신경망이라는 프로그램을 가르쳐 상대적으로 희박한 데이터에서 뇌 이미지를 구성한다고 하이퍼파인의 최고 의료 책임자 겸 최고 전략 책임자인 칸 시디키(Khan Siddiqui)는 말합니다. “그것이 우리의 비밀 소스가 들어오는 곳입니다.”

 

표준 스캔과 비교할 때 낮은 필드 이미지는 더 흐릿하게 보입니다. 그런데도 물리학자들은 그 아름다움을 봅니다. “이 놀라운 물리학 성공 사례입니다.”라고 Rosen은 말합니다. “우리 뾰족한 머리 물리학자들이 아무도 신경 쓰지 않는 일을 하는 것이 아닙니다.” 이 기술은 현장의 잊혀진 구석에서 고군분투하는 사람들을 옹호한다고 McDowell은 말합니다. “영광이 11테슬라 기계를 만드는 데 있을 때 누가 제정신으로 65밀리 테슬라 기계를 만들겠습니까?”

 

HYPERFINE은 급습 스캐너가 꽤 영광스러운 출발을 하고 있다고 말합니다. 대부분 미국에서 100대 이상의 기계를 개당 약 $250,000에 판매했습니다. 목표는 고자장 스캐너를 대체하는 것이 아니라 MRI 사용 방법을 확장하는 것이라고 Siddiqui는 말합니다. “우리의 휴대용 스캐너는 MRI를 시간과 거리 모두에서 환자에게 더 가깝게 제공합니다.” 하이퍼파인은 신경 중환자실에서 이를 사용하여 너무 아프거나 불안정하여 기존 MRI 또는 일종의 3D 엑스레이를 생성하는 CT 기계로 이동할 수 없는 환자를 신속하게 평가할 계획입니다.

 

Swoop의 자석은 두 개의 디스크로 구성되며 64밀리 테슬라의 필드를 생성합니다. 스캔은 표준 스캔과 크게 다릅니다. 기존 스캐너에서는 자동 테이블이 원통형 자석으로 몸을 미끄러지듯 밀어 넣습니다. Swoop을 사용하면 유능한 환자가 자동차 범퍼 아래에서 꿈틀거리는 것처럼 자석에 뛰어들 수 있습니다. 안테나가 들어 있는 헬멧 같은 머리 부분은 코에 닿을 정도로 머리를 꼭 껴안고 있지만 팔과 다리는 자유롭습니다. 기계의 짹짹 울음은 부드럽고 진정됩니다.

 

2019년 말과 2020년 초에 코로나바이러스 전염병이 발생했을 때 Sheth와 동료들은 COVID-19에 걸린 20명을 포함하여 50명의 ICU 환자를 스캔하여 Swoop의 약속을 테스트했습니다. 많은 사람이 인공호흡기를 착용하고 진정제를 투여받았기 때문에 “우리는 그들의 신경 학적 상태가 무엇인지 전혀 몰랐고 사용 가능한 이미징 방식으로 살펴볼 방법이 없었습니다”라고 Sheth는 회상합니다. “그리고 이것은 우리에게 침대 옆에서 그렇게 할 방법을 제공했습니다.” 스캔 결과 8명의 COVID-19 환자를 포함하여 37건의 뇌 외상이 밝혀졌다고 연구원들은 2021년 1월 JAMA Neurology에 보고했습니다.

 

A patient receiving a low-field scan in an ICU hospital room. The portable scanner is positioned next to the patient’s bed, so that their head and shoulders rest inside the scanner and the rest of their body remains on the bed.

낮은 필드 MRI 스캐너는 예일 뉴 헤이븐 병원의 중환자실에서 침대에 있는 환자를 이미지합니다. 예일 의과 대학

 

더 저렴하고 작은 기계는 환자가 더 자주 후속 스캔을 받을 수 있도록 합니다. 이는 메릴랜드 대학교 칼리지파크의 물리학자이자 하이퍼파인의 공동 설립자인 로널드 월스워스(Ronald Walsworth)와 공감하는 전망입니다. 2007년, 당시 2살이었던 그의 아들은 비암성 뇌종양에 걸렸습니다. 그는 성공적으로 치료를 받았다고 Hyperfine의 자문위원회에서 근무하는 Walsworth는 말합니다. 그런데도 그는 “MRI가 가끔만 사용되기 때문에 징후가 조기에 발견되지 않고 가장 효율적으로 결정되지 않은 일이 있었습니다”라고 말합니다.

 

Swoop의 장점은 팬을 확보했습니다. “오, 세상에, 정말 아름답고 아름다운 기술입니다.”라고 Hyperfine에 재정적 관심이 없는 예일 대학의 소아 신경 외과 의사인 Steven Schiff는 말합니다. 그러나 Swoop은 1.5mm의 해상도가 표준 스캐너의 절반이기 때문에 고자장 스캐너가 포착할 수 있는 세부 사항을 놓칠 수 있습니다. 예를 들어, Sheth의 팀은 표준 MRI로 볼 수 있는 허혈성 뇌졸중을 앓은 50명의 환자의 뇌를 이미지화하는 데 사용했습니다. Swoop은 가장 작은 밀리미터 크기의 스트로크 5개를 놓쳤다고 연구원들은 2022년 4월 Science Advances에 보고했습니다.

 

이 발견은 의사가 각 유형의 스캐너를 언제 사용할지 결정할 때 판단을 내려야 함을 보여줍니다. “너무 걱정할 필요는 없지만 무언가를 놓칠 수 있는 상황을 이해해야 합니다.”라고 그는 말합니다. 그러나 McDowell은 의사들이 저자장 필드 스캐너를 사용하면 의료 과실 소송에 노출될 수 있다고 생각하면 이를 꺼릴 수 있다고 지적합니다.

 

세계의 많은 지역에서 MRI는 단순히 사용할 수 없습니다. 네덜란드의 한 팀은 스캐너가 이를 바꿀 수 있기를 희망합니다. 자석은 Swoop의 자석과 크게 다릅니다. 자동차 제조업체가 1980년대에 개발한 합금인 네오디뮴 철 붕소 4098 큐브로 구성되어 중공 플라스틱 실린더에 내장되어 있으며 균일한 수평장을 생성하기 위해 Halbach 어레이라는 구성으로 배열됩니다. 라이덴 대학 의료 센터의 MRI 물리학자인 앤드류 웹(Andrew Webb)은 “우리 시스템은 본질적으로 더 좋고 왜곡이 적기 때문에 기계 학습과 같은 처리의 도움이 덜 필요하다고 주장합니다.

 

스위스의 민간 기업인 Multiwave Technologies는 스캐너를 시장에 출시하기 위해 노력하고 있습니다. 올해 FDA 승인을 신청할 예정이며 구독 모델로 기계를 임대하는 것을 목표로 한다고 Multiwave의 공동 CEO인 Tryfon Antonakakis는 말합니다. “우리의 목표는 가능한 한 저렴하게 만드는 것이며 반드시 병원에 있을 필요는 없습니다.”라고 엔지니어이자 응용 수학자인 Antonakakis는 말합니다. “우리는 산으로, 개발 도상국의 의료 사막으로 가려고 합니다.”

 

델프트 공과대학의 응용 수학자인 Martin van Gijzen을 포함한 Webb과 그의 동료들은 기술을 전파하기위한 또 다른 계획을 하고 있습니다. “우리는 마틴, 저, 우리 팀 전체가 특허를 내지 않기로 했습니다.”라고 Webb은 말합니다. “모든 것이 오픈 소스가 될 것”이므로 누구나 인터넷에서 디자인을 다운로드하고 스캐너를 만들 수 있습니다. Webb과 동료들은 개발 도상국의 기업가들이 현지에서 제조하기를 희망합니다.

 

아이디어를 구상하기 위해 그들은 키트로 포장된 스캐너를 우간다 음바라라 과학 기술 대학의 생의학 엔지니어인 Johnes Obungoloch에게 배송했는데, 그는 Webb과 Schiff도 그곳에 있을 때 University Park에 있는 펜실베니아 주립 대학의 대학원생이었습니다. 2022년 11월, Webb과 다른 사람들은 Obungoloch와 그의 팀이 11일 만에 스캐너를 조립하는 것을 돕기 위해 우간다로 날아갔습니다.

 

Six people stand around a cylindrical magnet about 2 feet in diameter.

Johnes Obungoloch(오른쪽에서 두 번째), Joshua Harper(왼쪽에서 두 번째) 및 우간다의 소아과 병원에서 수술을 안내할 스캐너용 자석을 들고 있는 동료들.

 

곧 개발 도상국에서 저자장 MRI의 유용성을 테스트하는 프로젝트에 사용될 것입니다. 국제 비영리 단체가 운영하는 음발레의 55개 병상 규모의 소아 신경외과 시설인 우간다 CURE 아동 병원은 오부골로치의 스캐너, Swoop 및 CT 스캐너를 비교할 계획입니다. 의사는 뇌척수액이 뇌에 모여 압축되어 잠재적으로 쇠약하거나 치명적인 손상을 일으키는 뇌수종이 있는 어린이를 이미지화합니다. 전 세계적으로 뇌수종은 매년 400,000명의 어린이를 괴롭히며 CURE 병원 환자의 75%를 차지합니다. 아프리카에서는 감염이 일반적인 원인입니다.

 

수년 동안 Schiff와 병원의 동료들은 CT 스캔을 사용하여 체액이 뇌실로 배출되도록 하는 혁신적인 수술을 안내했습니다. 그러나 CT 스캔은 어린이를 상당한 X- 레이 방사선에 노출시켜 CURE 의사는 저자장 MRI 이미지가 외과의를 안내할 수 있는지를 확인합니다. “MRICT 스캔과 비슷한 것으로 판명되면 더 이상 CT 스캔을 사용해야 할 이유가 없습니다.“라고 프로젝트를 지휘하는 CURE의 의사인 Ronald Mulondo는 말합니다.

 

이 연구는 최종 정부 승인을 기다리고 있습니다. 성공하면 Obungoloch는 아프리카의 다른 6개 CURE 병원을 위해 더 많은 스캐너를 구축하고 일부 부품을 현지에서 조달할 계획입니다. 우간다에는 공공 의료 서비스가 있으므로 비전은 정부 자금에 달려 있다고 그는 말합니다.

 

그러나 다른 곳의 동료들과 마찬가지로 우간다의 의사들은 이 기술의 제한된 해상도에 대해 의구심을 가질 수 있다고 Obungoloch는 말합니다. “방사선 전문의는 그것을 보고 ‘음, 이것은 엉터리 이미지이며 우리는 당신이 그것을 얻는 데 얼마나 오래 걸렸는지 상관하지 않습니다.’라고 말합니다.” 정부 관리들은 또한 우간다인들이 아무리 유용하더라도 저해상도 이미징에 안주할 필요가 없다고 생각할 수도 있다고 그는 말합니다.

 

사실, 저자장 MRI 개발자들은 의료 영상에 대한 재고를 추진하고 있습니다. “최고의 기술은 최고 품질의 이미지를 제공할 수 있는 스캐너입니까, 아니면 가장 개선된 환자 결과를 가져올 수 있는 스캐너입니까?” Webb의 오픈 소스 장비를 공동 작업하고 Swoop을 인수하기를 희망하는 Harper는 묻습니다.

 

Sheth는 의사를 이길 수 있는 것은 스캐너를 위한 킬러앱인 “사용 사례”가 될 것이라고 말합니다. 예를 들어, 뇌졸중 치료를 위해 특수 구급차에 실릴 수 있습니다. 그는 Hyperfine과 다른 사람들이 그 사용 사례를 발견했는지 의문을 제기하지만, 그것이 올 것으로 예측합니다.

 

그런 다음 이길 환자가 있습니다. 하이퍼파인 스캐너에서 시간을 보낸 후 뇌하수체 종양 환자는 Yadlapalli에게 일반 MRI만큼 편안하지 않다고 털어놓습니다. 수술 때문에 여전히 코로 숨을 쉴 수 없다는 점에 주목하면서 그는 꼭 맞는 머리 바구니가 그를 괴롭혔다고 말합니다. “차라리 진짜 MRI로 넘어가고 싶어요.” 그를 마지 못해 개척자라고 부르십시오.

 

Correction, 24 February, 2:45 p.m.: This story has been updated to correctly identify the people in the photo with the magnet assembled in Uganda.

철분 부족은 남극해의 먹이 사슬의 핵심인 미생물을 위협합니다.

식물성 플랑크톤 꽃은 철분이 풍부한 물의 융기에 달려 있습니다.

 

Iron shortage threatens microbes key to food chain in Southern Ocean

Phytoplankton blooms depend on the upwelling of iron-rich water

23 FEB 20232:00 PMBYWARREN CORNWALL

https://www.science.org/content/article/iron-shortage-threatens-microbes-key-food-chain-southern-ocean

의 간단 번역입니다.

매년 봄 남극 대륙의 얼음 해안에서 우주에서 볼 수 있을 정도로 큰 생명의 폭발이 펼쳐집니다. 철분이 풍부한 물이 아래에서 솟아오르면 남극해의 표면은 밝은 녹색 식물성 플랑크톤의 환각 구름으로 소용돌이치며, 단세포 생물은 대기에서 탄소를 빨아들이고 크릴을 유지하여 먹이 사슬의 기초를 형성하며, 크릴은 차례로 물고기, 고래, 펭귄의 주요 먹이 공급원입니다.

 

이제 한 과학자 그룹은 지난 25년 동안 생태계와 기후에서 중요한 역할을 하는 이 계절적 꽃이 위험에 처할 수 있다고 말합니다. 남극해의 식물성 플랑크톤은 광합성 기계의 빌딩 블록인 철이 점점 더 굶주리고 있으며 생산성이 감소할 수 있는 징후가 있습니다. 오늘 Science 지에 발표된 이 발견은 많은 기후 모델이 다가오는 세기에 대해 예측한 생산성의 급증에 직접 반대하는 놀라운 일입니다.

 

변화의 명백한 속도는 “정말 놀랍다”고 채플 힐에 있는 노스 캐롤라이나 대학의 생물 해양학자인 Adrian Marchetti는 식물성 플랑크톤을 연구하지만, 연구에 직접 참여하지는 않았다고 말합니다. 식물성 플랑크톤의 큰 감소는 “지구 탄소 순환에 실제로 영향을 미칠 수 있다”라고, 해양 탄소를 연구하는 워싱턴 대학교 시애틀 해양학자 앨리슨 그레이는 덧붙인다.

 

 

해양 철분 수준은 남극해에서 식물성 플랑크톤 생산성을 제한하는 중요한 요소로 알려졌지만 연구하기 어려운 것으로 악명이 높습니다. 로봇 센서나 연구선은 일상적으로 영양소를 찾지 않습니다. 그래서 과학자들은 최근에 식물성 플랑크톤이 철분 부족에 대처하고 있다는 신호를 찾아 그 수준을 추론하기 시작했습니다.

 

새로운 연구는 식물성 플랑크톤이 방출하는 빛을 비광화학 담금질이라고 불리는 생리적 과정의 징후로 분석했는데, 여기서 식물성 플랑크톤은 열을 방출하여 과도한 햇빛을 처리합니다. 담금질은 철분 스트레스의 지표인데, 영양소가 부족한 식물성 플랑크톤은 빛에 더 취약하게 만드는 방식으로 생리학을 변경하기 때문입니다. 194 년부터 시작된 연구 선박의 194회 여행과 1996년부터 표류하는 47개의 센서를 실은 부유물의 데이터에서 연구원들은 빛 노출의 변화를 조정할 때 담금질이 연간 거의 5% 증가한 것을 발견했습니다. 이 추세는 지난 2년 동안 식물성 플랑크톤이 충분한 철분을 얻기 위해 점점 더 고군분투하고 있음을 시사한다고 남아프리카 정부의 남극해 탄소 및 기후 관측소의 생지화학자이자 Science 논문의 수석 저자 인 Tommy Ryan-Keogh는 말합니다.

 

Ryan-Keogh와 그의 공동 연구자들은 플랑크톤 꽃의 위성 이미지와 바다 부유물의 측정을 사용하여 1998 년부터 변화를 추적하여 식물성 플랑크톤 생산성도 조사했습니다. 그들은 데이터를 순 식물성 플랑크톤 생산성의 추정치로 변환하기 위해 모델에 의존하여 남극해에서 작지만, 통계적으로 유의미한 생산성 감소를 발견했습니다.

 

쇠퇴가 현실이라고 해도 철이 역할을 하고 있는지는 확실하지 않습니다. 수십 년 동안 남극해의 철 역학을 연구해 온 태즈메이니아 대학의 생지화학자인 필립 보이드는 다른 잠재적 요인을 지적합니다. 예를 들어, 해양 동물은 식물성 플랑크톤을 더 많이 먹을 수 있습니다. “철 스트레스와 순 1차 생산을 직접 연결하는 것은 긴 활입니다.”라고 그는 말합니다.

 

식물성 플랑크톤이 철분 부족에 직면하는 이유도 명확하지 않습니다. 현재의 기후와 해양 모델은 기후 변화에 따라 남극해의 바람이 남쪽으로 이동하여 더 많은 융기를 일으켜 바다 깊은 곳에서 표면으로 철을 가져오고 생산성의 폭발을 촉진하리라 예측합니다. Ryan-Keogh는 식물성 플랑크톤에 철분이 부족한 세 가지 가능한 이유를 제안합니다 : 이산화탄소 수준 상승으로 인한 해양 산성화는 영양소 흡수를 더 어렵게 만들 수 있으며, 해수 온도 상승은 신진대사를 가속하고 철분 수요를 증가시킬 수 있으며, 해양 혼합의 다른 층이 더 깊은 곳의 움직임을 제한할 방법의 변화, 철분이 풍부한 물이 표면을 향합니다. “이를 테스트하려면 많은 실험실 작업이 필요합니다.”라고 Ryan-Keogh는 말합니다.

 

무슨 일이 일어나고 있는지 분리하는 것은 남극해의 미래 생태계 변화를 이해하는 것뿐만 아니라 지구 기후의 운명을 예측하는 데에도 중요합니다. 남극해는 중요한 탄소 흡수원입니다. 바다에 용해되는 모든 탄소 오염의 절반이 바다에서 발생합니다. 그 용해 된 탄소 중 일부는 식물성 플랑크톤에 의해 흡수되어 생물 또는 생물을 먹는 유기체가 죽어 바닥으로 가라앉을 때 저장됩니다.

 

이 연구에 참여한 리버풀 대학의 해양학자 알레산드로 타글리아부에(Alessandro Tagliabue)는 철 기아 추세가 일시적일 수 있다고 말합니다. 그러나 미래의 풍요를 예측하는 모델이 남극해와 그곳에 사는 유기체에 대해 잘못 표현하고 있을 수도 있습니다. “우리는 모델이 현재의 추세를 재현하지 않는 이유를 알아야 합니다.”라고 해양 생지화학적 과정 모델링을 전문으로 하는 Tagliabue는 말합니다.

 

널리 사용되는 여러 기후 모델을 연구한 캘리포니아 대학교 어바인 (University of California, Irvine)의 해양학자 키스 무어 (Keith Moore)는 이 추세가 오래 가지 못할 것이라고 확신한다. 그는 이 논문이 현재 식물성 플랑크톤의 철분 결핍이 증가하고 있다는 설득력 있는 사례를 제시한다고 말하지만, 무어는 모델이 예측한 대로 바람이 결국 남쪽으로 이동하고 식물성 플랑크톤 꽃이 그 어느 때보다 무성해질 것으로 예상합니다. “지금 일어나고 있는 일은 그 모델들이 알아차리기에는 너무 미묘할 수 있습니다.”라고 그는 말합니다.

doi: 10.1126/science.adh3116