RNA polymerase (blue) unwinds DNA (violet), using it as a template to produce a strand of messenger RNA (red). In aged cells, this process accelerates.Credit: selvanegra/Getty
4월 12일 네이처 (Nature)에 발표된 연구에 따르면 노화는 인간, 초파리, 쥐, 생쥐, 벌레 등 5가지 매우 다른 생명체에서 같은 방식으로 세포 과정에 영향을 미치는 것으로 보입니다. 이 연구 결과는 노화를 유발하는 원인을 설명하고 이를 되돌리는 방법에 대한 제안을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.
호주 UNSW 시드니의 생화학자인 Lindsay Wu는 “이것은 우리가 어떻게 그리고 왜 노화하는지 이해하는 근본적이고 새로운 영역을 열어줍니다.”라고 말합니다.
동물이 나이를 먹으면 세포 내부의 다양한 분자 과정의 신뢰성이 떨어집니다. 유전자 돌연변이가 더 자주 발생하고 염색체 끝이 끊어져 짧아집니다. 많은 연구에서 노화가 유전자 발현에 미치는 영향을 조사했지만, 전사(유전 정보가 청사진 DNA 가닥에서 RNA 분자로 복사되는 과정)에 미치는 영향을 조사한 연구는 거의 없었습니다.
부주의한 복사
이를 알아보기 위해 Beyer와 그의 동료들은 서로 다른 성인 나이에서 선충류, 초파리, 생쥐, 쥐, 인간 등 5가지 유기체의 게놈 차원의 전사 변화를 분석했습니다. 연구자들은 노화가 전사를 유도하는 효소인 RNA 중합 효소 II(Pol II)가 RNA 사본을 만들 때 DNA 가닥을 따라 움직이는 속도를 어떻게 변화시켰는지 측정했습니다. 그들은 평균적으로 Pol II가 나이가 들면서 더 빨라지지만 다섯 그룹 모두에서 덜 정확하고 오류가 발생하기 쉽다는 것을 발견했습니다. “우리는 판독과 참조 게놈 사이에 더 많은 불일치를 보았습니다.”라고 Beyer는 말합니다.
이전 연구에서는 식단을 제한하고 인슐린 신호를 억제하면 많은 동물에서 노화를 지연시키고 수명을 연장할 수 있다는 사실이 밝혀졌기 때문에 연구자들은 이러한 조치가 Pol II의 속도에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다. 인슐린 신호 유전자에 돌연변이를 일으키는 벌레, 생쥐, 초파리에서 Pol II는 더 느린 속도로 움직였습니다. 효소는 또한 저열량 식이요법을 한 쥐에서 더 느리게 이동했습니다.
그러나 궁극적인 질문은 Pol II 속도의 변화가 수명에 영향을 미치는지 여부였습니다. Beyer와 그의 팀은 Pol II를 늦추는 돌연변이를 지닌 초파리와 벌레의 생존을 추적했습니다. 이 동물들은 돌연변이가 없는 동물들보다 10%에서 20% 더 오래 살았습니다. 연구자들이 벌레의 돌연변이를 되돌리기 위해 유전자 편집을 사용했을 때 동물의 수명이 단축되었습니다. Beyer는 “그것은 정말 인과 관계를 확립했습니다.”라고 말합니다.
속도를 높이다
연구원들은 Pol II의 가속이 DNA가 세포 내부에 채워지는 방식의 구조적 변화로 설명될 수 있는지 궁금해했습니다. 그들이 차지하는 공간을 최소화하기 위해 유전 정보의 방대한 실은 뉴클레오솜이라는 묶음으로 히스톤이라는 단백질 주위에 단단히 감겨 있습니다. 연구원들은 인간 폐 세포와 제대 정맥 세포를 분석하여 노화된 세포에는 더 적은 뉴클레오솜이 포함되어 있어 Pol II가 더 빨리 이동할 수 있는 경로를 원활하게 한다는 것을 발견했습니다. 팀이 세포에서 히스톤의 발현을 증가시켰을 때 Pol II는 더 느린 속도로 움직였습니다. 초파리에서 히스톤 수치가 높아지면 수명이 늘어나는 것 같았습니다.
영국 글래스고 대학교에서 포유류의 노화를 연구하는 콜린 셀먼(Colin Selman)은 이 연구는 먼 관련 종에 걸쳐 노화 메커니즘이 어떻게 일관성이 있는지를 보여주는 “정말 흥미로운 작업”이라고 말했습니다. 또한, Pol II가 노화 과정을 늦추는 약물의 표적이 될 방법을 탐색할 수 있는 문을 열어줍니다. Pol II의 전사 과정에 대한 변화는 다양한 유형의 암을 포함한 많은 질병에 연루되어 있으며 Pol II와 이를 촉진하는 분자를 표적으로 하는 다양한 약물이 개발되었습니다. “노화에 미치는 영향을 조사하기 위해 이러한 약물 중 일부를 효과적으로 용도 변경할 기회가 있을 수 있습니다.”라고 Selman은 말합니다.
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01040-x
References
Debès, C. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-023-05922-y (2023).
Ageing-associated changes in transcriptional elongation influence longevity
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.
독일의 53세 남성은 골수 세포를 기증자의 HIV 내성 줄기세포로 대체 한 절차를 거친 후 바이러스가 없다고 선언된 HIV 감염자 중 적어도 세 번째가 되었습니다.
수년 동안 항레트로바이러스 요법 (ART)은 바이러스를 거의 감지할 수 없는 수준으로 낮추고 다른 사람에게 전염되는 것을 방지하기 위해 HIV 감염자에게 제공되었습니다. 그러나 면역 체계는 바이러스를 신체의 저장소에 가두어 두며, 개인이 ART 복용을 중단하면 바이러스가 복제되고 퍼지기 시작할 수 있습니다.
진정한 치료법은 이 저수지를 제거 할 것이며, 이것은 이름이 공개되지 않은 최신 환자에게 일어난 것 같습니다. ‘뒤셀도르프 환자’라고 불리는 이 남성은 2018년 ART 복용을 중단했으며 그 이후로 HIV가 없는 상태를 유지하고 있습니다.
관련된 줄기세포 기술은 종종 베를린 환자라고 불리는 Timothy Ray Brown을 치료하는 데 처음 사용되었습니다. 2007 년에 그는 급성 골수성 백혈병을 치료하기 위해 골수 이식을 받았는데, 그 세포를 파괴하고 건강한 기증자의 줄기세포로 대체했습니다. 브라운을 치료하는 팀은 CCR5Δ32/Δ32라는 유전적 돌연변이를 가진 기증자를 선택하여 CCR5 세포 표면 단백질이 세포 표면에서 발현되는 것을 방지했습니다. HIV는 그 단백질을 사용하여 면역 세포에 들어가므로 돌연변이는 세포가 바이러스에 효과적으로 저항하게 만듭니다. 시술 후 브라운은 ART 복용을 중단할 수 있었고 2020년 사망할 때까지 HIV가 없는 상태를 유지했습니다.
2019년에 연구원들은 같은 절차가 런던 환자인 Adam Castillejo를 치료한 것으로 보인다고 밝혔습니다. 그리고 2022년에 과학자들은 14개월 동안 HIV가 없는 상태를 유지한 뉴욕 환자도 완치될 수 있다고 생각한다고 발표했지만, 연구원들은 확신하기에는 너무 이르다고 경고했습니다.
카스티예호를 치료한 팀을 이끌었던 영국 케임브리지 대학의 미생물학자 라빈드라 굽타(Ravindra Gupta)는 최신 연구가 “CCR5가 현재 치료법을 달성하기 위한 가장 다루기 쉬운 표적이라는 사실을 공고히 한다”고 말합니다.
낮은 바이러스 수준
뒤셀도르프 환자는 급성 골수성 백혈병 진단을 받았을 때 ART 덕분에 HIV 수치가 매우 낮았습니다. 2013년 독일 뒤셀도르프 대학 병원의 바이러스학자 Björn-Erik Jensen이 이끄는 팀은 환자의 암성 골수 세포를 파괴하고 CCR5Δ32/Δ32 돌연변이가 있는 기증자의 줄기세포로 대체했습니다.
그 후 5년 동안 Jensen의 팀은 환자로부터 조직과 혈액샘플을 채취했습니다. 이식 후 몇 년 동안 과학자들은 HIV에 특이적으로 반응하는 면역 세포를 계속 발견했으며, 이는 저수지가 사람의 몸 어딘가에 남아있음을 시사했습니다. Jensen은 이러한 면역 세포가 활성 바이러스 입자를 표적으로 삼았는지 또는 바이러스 잔재의 “묘지”를 표적으로 삼았는지는 분명하지 않다고 말합니다. 그들은 또한 환자의 몸에서 HIV DNA와 RNA를 발견했지만, 절대 복제되지 않는 것 같았습니다.
이식이 어떻게 작동하는지 더 많이 이해하기 위해 팀은 환자의 면역 세포를 인간과 유사한 면역 체계를 갖도록 설계된 마우스에 이식하는 것을 포함하여 추가 테스트를 실행했습니다. 바이러스는 생쥐에서 복제에 실패하여 기능이 없음을 시사합니다. 최종 테스트는 환자가 ART 복용을 중단하는 것이었습니다. “그것은 몸에서 HIV를 제거하는 것이 불가능하지 않다는 것을 보여줍니다.”라고 Jensen은 말합니다.
치료를 받은 환자는 성명서에서 골수 이식이 “매우 험난한 길”이었다고 말하면서 연구 기금 마련을 지원하는 데 평생의 일부를 바칠 계획이라고 덧붙였다.
샌프란시스코 캘리포니아 대학의 전염병 연구원인 티모시 헨리히는 이 연구가 매우 철저하다고 말합니다. 여러 환자가 ART와 HIV 내성 기증자 세포의 조합으로 성공적으로 치료되었다는 사실은 이러한 개인에서 HIV 치료를 달성할 가능성을 매우 크게 만듭니다.
굽타는 동의하지만 어떤 경우에는 바이러스가 사람 내부에서 돌연변이를 일으켜 세포에 들어가는 다른 방법을 찾는다고 덧붙입니다. 그는 또한 사람들이 골수 이식 전에 암으로 받은 화학 요법이 감염된 세포가 분열하는 것을 막음으로써 HIV를 제거하는 데 도움이 되었는지 아닌지도 불분명하다고 말합니다.
그러나 절차와 관련된 높은 위험, 특히 개인이 기증자의 골수를 거부할 우려 때문에 백혈병이 없는 사람들에게 골수 대체물이 시행될 가능성은 거의 없습니다. 여러 팀이 사람의 몸에서 채취한 줄기세포를 사용하여 CCR5Δ32/Δ32 돌연변이를 갖도록 유전자 변형할 가능성을 테스트하고 있습니다. 이는 기증자 세포의 필요성을 제거합니다.
Jensen은 그의 팀이 CCR5Δ32/Δ32 돌연변이가 있는 기증자의 줄기세포를 사용하여 HIV와 암의 영향을 받는 다른 여러 사람을 위해 이식을 수행했지만, 그 개인이 바이러스가 없는지를 말하기에는 너무 이르다고 말합니다. 그의 팀은 이식을 받을 때 HIV의 더 큰 저장소를 가지고 있는 사람이 면역 체계가 신체에서 남아있는 바이러스를 얼마나 잘 회복하고 제거하는지에 영향을 미치는지를 연구할 계획입니다.
References
Jensen, B.-E. O. et al. Nature Med. https://doi.org/10.1038/s41591-023-02213-x (2023).
Holt, N. et al. Nature Biotechnol. 28, 839–847 (2010).
Xu, L. et al. N. Engl. J. Med. 381, 1240–1247 (2019).
왜 어떤 사람들은 ADHD를 받고 다른 사람들은 그렇지 않습니까? 그리고 ADHD의 씨앗은 얼마나 일찍 또는 자궁에 뿌려집니까?
오르후스 대학 (Aarhus University)의 연구원들은 Nature Genetics 저널에 방금 발표된 대규모 연구에서 이 질문에 답하는 데 더 가까워졌습니다.
연구진은 국내 및 국제 파트너와 함께 ADHD 환자 38,691명과 ADHD가 없는 186,843명에서 6백만 개 이상의 유전적 변이를 연구했습니다. 이를 통해 일반적인 신경 발달 장애에 대한 27개의 유전적 위험 변이를 확인할 수 있었습니다.
위험 유전자는 뇌와 뉴런에서 발현됩니다.
이 연구는 특히 이전 연구에서 확인한 것보다 두 배 이상 많은 위험 변이를 발견하기 때문에 획기적입니다.
“유전적 변이”라는 용어는 DNA 코드의 특정 변이를 의미합니다. 이 경우 진단을 받지 않은 사람들보다 ADHD 환자에서 더 자주 관찰되는 변이체. DNA의 변이체는 예를 들어 유전자가 발현되는 정도와 그에 따라 유전자에 의해 암호화되는 단백질의 양에 영향을 미칩니다.
유전적 변이 (즉, DNA의 변이)를 특정 유전자에 연결함으로써 연구자들은 ADHD 환자에서 특히 영향을 받는 조직과 세포 유형에 대한 새로운 지식을 얻었습니다. 이 연구는 덴마크 iPSYCH 코호트, 아이슬란드의 deCODE Genetics 및 Psychiatric Genomics Consortium의 데이터를 기반으로 합니다.
그 후, 연구진은 결과를 다른 조직, 세포 유형 및 뇌 발달 단계에서 유전자 발현에 대한 기존 데이터와 결합했으며, ADHD에 관여하는 유전자가 광범위한 뇌 조직과 뇌 발달 초기에 특히 높은 수준의 발현을 하고 있음을 발견했습니다.
“이것은 ADHD를 뇌 발달 장애로 간주하여야 하며, 이것은 뇌의 초기 발달에 큰 영향을 미치는 유전자에 의해 영향을 받을 가능성이 크다는 것을 강조합니다.”
Ditte Demontis, 오르후스 대학교 생물 의학과 교수, 연구의 첫 번째 저자
또한, 연구자들은 ADHD의 위험을 증가시키는 유전학이 특히 뉴런, 특히 도파민성 뉴런에서 발현되는 유전자에 영향을 미친다는 것을 발견했습니다.
“이것은 도파민이 뇌의 보상 반응과 관련하여 역할을 하고 자주 사용되는 ADHD 약이 다른 뇌 영역에서 도파민의 농도를 증가시킴으로써 작동하기 때문에 흥미롭습니다. 우리의 결과는 ADHD 환자의 뇌에서 도파민의 불균형이 부분적으로 유전적 위험 요인에 기인한다는 것을 나타냅니다.”라고 Ditte Demontis는 말합니다.
집중력 감소 및 단기 기억과 관련
ADHD는 많은 일반적인 유전적 변이의 영향을 받으며, 각각은 위험을 약간 증가시킨다고 교수는 말합니다.
사실, 고급 통계 모델의 도움으로 연구자들은 ADHD의 위험을 증가시키는 약 7,300개의 일반적인 유전적 변이가 있다고 추정했습니다. 이러한 변종의 대다수 (84-98%)가 자폐증, 우울증 및 정신분열증과 같은 다른 정신 장애에도 영향을 미친다는 것은 특히 흥미롭습니다.
이전에 ADHD의 위험 변이가 사람의 인지 능력에 영향을 미칠 수 있음이 밝혀졌습니다.
이를 더 조사하기 위해 연구원들은 광범위한 신경인지 테스트를 받은 4,973명으로 구성된 독립적인 데이터 세트의 데이터를 분석했습니다. 어떤 변이가 ADHD의 위험을 증가시키는지에 대한 새로운 연구의 정보를 사용함으로써, 그들은 독립적인 데이터 세트에서 개인의 게놈에서 ADHD 위험 변이의 증가된 부하가 읽기 및 수학 능력 감소, 주의력 감소 및 단기 기억 감소와 관련이 있음을 발견했습니다.
“결과는 ADHD의 기초가 되는 생물학적 메커니즘에 대한 우리의 지식을 증가시키고 ADHD와 관련된 특정 유전자, 조직 및 세포 유형을 가리킵니다. 이 지식은 질병 메커니즘에 관한 추가 연구와 신약 표적 식별을 위한 출발점으로 사용될 수 있습니다.”라고 Ditte Demontis는 설명합니다.
그리고 연구는 후속 조처를 해야 한다고 그녀는 강조합니다.
“우리는 ADHD에 영향을 미치는 일반적인 변종 중 일부만 대응했습니다 – 잠재적으로 존재하는 7,300개 중 27개만 대응했습니다. 따라서 더 큰 유전 연구가 필요합니다.”라고 그녀는 말합니다.
국제 학제 간 협력이 앞으로 나아갈 길입니다.
대규모 국제 협력은 정신 질환 및 신경 발달 장애의 유전적 원인을 확인하는 데 중요합니다. 그렇게 하려면 이러한 조건을 가진 수만 또는 수십만 명의 사람들에 관한 연구가 필요하기 때문입니다. 현재의 ADHD 연구에서와 마찬가지로 유전학, 정신 의학, 심리학, 역학, 분자 생물학, 통계, 생물 정보학 및 컴퓨터 과학과 같은 다양한 전문 분야를 가진 100명 이상의 연구자가 참여하는 경우가 많습니다.
“유전적 및 생물학적 메커니즘을 더 많이 이해하기 위해서는 ADHD 환자를 더 많이 포함하는 더 큰 연구를 하는 것이 중요합니다.”라고 오르후스 대학 생물 의학과의 Anders Børglum 교수는 이 연구의 마지막 저자이자 덴마크 iPSYCH 프로젝트의 연구 책임자 중 한 명입니다.
“그러나 유전적 위험 변이가 뇌세포 (뉴런)의 생물학적 과정을 교란하는 방법과 뇌에서 서로 결합하고 의사소통하는 방식을 식별하는 데 초점을 맞춘 연구를 수행하는 것도 중요합니다. 후자의 경우 뇌세포와 뇌의 초기 발달 단계, 소위 미니 뇌 또는 뇌 유기체가 현재 검사되고 있습니다.”라고 그는 말합니다.
Source:
Aarhus University
Journal reference:
Demontis, D., et al. (2023) Genome-wide analyses of ADHD identify 27 risk loci, refine the genetic architecture and implicate several cognitive domains. Nature Genetics. doi.org/10.1038/s41588-022-01285-8.
수십 년간의 연구를 통해 신경 퇴행성 질환들 (NDDs)과 관련된 유전적 요인과 생화학적 경로가 확인되었습니다. 우리는 NDD의 병리학적 단백질 응집, 시냅스 및 신경 네트워크 기능 장애, 비정상적인 단백질의 항상성, 세포골격 이상, 에너지 항상성 변화, DNA 및 RNA 결함, 염증 및 신경 세포 사멸과 같은 NDD의 8가지 특징에 대한 증거를 제시합니다. 우리는 특징, 바이오마커 및 상호 작용을 전체론적 접근 방식을 사용하여 NDD를 연구하기 위한 프레임워크로 설명합니다. 이 프레임워크는 병원성 메커니즘을 정의하고, 주요 특징에 따라 다양한 NDD를 분류하고, 특정 NDD 내에서 환자를 계층화하고, NDD를 효과적으로 중단하기 위한 다중 표적 개인화된 치료법을 설계하기 위한 기초가 될 수 있습니다.
키워드
신경 퇴행성 질환신경 퇴행특징단백질 응집시냅스 및 신경 네트워크 기능 장애단백질끈 세포 골격결함 에너지 항상성DNA 및 RNA 결함염증
소개
신경 퇴행성 질환 (NDD)은 전 세계 수백만 명의 삶에 악영향을 미치는 이질적인 신경 장애 그룹이며 중추 신경계 (CNS) 또는 말초 신경계 (PNS)에서 뉴런의 점진적인 손실을 수반합니다. 신경망의 구조와 기능의 붕괴와 말기 차별화 특성으로 인해 효율적으로 갱신할 수 없는 뉴런의 손실은 핵심 통신 회로의 붕괴를 초래하여 기억, 인지, 행동, 감각 및/또는 운동 기능 장애로 절정에 달합니다.
우리는 이 리뷰에서 NDD를 정의하는 일련의 특징, 즉 병리학적 단백질 응집, 시냅스 및 신경 네트워크 기능 장애, 비정상적인 단백질의 항상성, 세포골격 이상, 에너지 대사 변화, DNA 및 RNA 결함, 염증 및 신경 세포 사멸을 분명히 보여줍니다(그림 1).
그림 1. 신경 퇴행성 질환의 특징
이 체계는 기사에 설명된 8가지 특징을 식별하고 보여줍니다. 수십 년간의 기본, 번역 및 임상 연구를 바탕으로 많은 NDD의 기저에 있는 유전적 요인과 생화학적 경로가 확인되어 병리학적 단백질 응집, 시냅스 및 신경 네트워크 기능 장애, 비정상적인 단백질의 항상성, 세포골격 이상, 에너지 항상성 변화, DNA 및 RNA 결함, 염증 및 신경 세포 사멸.
그림 2. 특징적인 응집 단백질, NDD의 뇌 영역과 연결되고 영향을 받는 유전자
그림 3. NDD 특징과 그 위치에 대한 개략적인 표현
그림 4. NDD를 효과적으로 중단하기 위한 개인화, 조합 및 다중 표적 치료의 기초로서 NDD를 분류하고 NDD 내에서 하위 유형을 식별하기 위한 프레임워크로서의 NDD의 특징과 상호 연결성
