식물의 성장과 세포의 생물학

때때로 간단해 보이는 질문들은 지독히도 대답하기 어려울 수 있습니다. 예를 들어, 여러분이 손에 녹색 잔디 잎을 들고 있다고 상상해 보세요. 잔디 잎은 세포가 분열되었다가 길어지면서 늘어나며 활발하게 자라왔습니다. 여러분은 잔디 날 안의 개별 세포들이 어떤 방향으로 성장해야 하는지 어떻게 알고 있는지 궁금했던 적이 있나요? 이 말도 안 되는 단순한 질문에 답을 하려면 먼저 몇 가지 다른 질문에 답을 해야 합니다. 셜록 홈즈처럼 우리가 추구하는 답에 단계적으로 접근해야 합니다.

 식물의 성장

질문 첫 번째. 먼저, 우리는 어떻게 풀잎이 자랄 수 있는지 물어야 합니다. 식물 세포는 동물 세포와 한 가지 중요한 점에서 매우 다릅니다: 모든 식물 세포는 셀룰로오스와 다른 단단한 건축 재료로 만들어진 단단한 세포벽 안에 둘러싸여 있습니다. 이 벽은 갑옷판이 탱크에게 그렇듯이 식물 세포에 구조적인 강도와 보호를 제공합니다. 하지만 탱크는 더 이상 뻗어 나갈 수 없습니다. 어떻게 식물 세포가 늘어날 수 있을까요?
작동방법은 성장하는 세포는 먼저 약간의 화학작용을 통해 벽을 약간 산성으로 만듭니다. 산성은 세포벽을 공격하는 효소를 내부에서 활성화시켜 벽이 강성을 잃을 때까지 셀룰로오스의 가교결합을 재배열합니다. 이제 세포벽은 신축할 수 있습니다. 그러면 세포가 물을 빨아들여 압력을 만듭니다. 이제 신축성이 있는 세포는 긴 풍선을 불듯이 길어집니다.

질문 두 번째. 풀잎처럼 자라는 식물 기관에서 각각의 세포 풍선은 길게 뻗어 있습니다. 식물학자는 이것을 좀 더 형식적으로 말하면, 세포가 풀잎이 뻗어 있는 축과 평행하게 뻗어 있다고 말할 것입니다. 이 관찰은 우리가 대답해야 하는 두 번째 질문으로 이어집니다: 개별 식물 세포는 어떻게 그것이 뻗어나가는 방향을 조절할까요?
이것은 이렇게 작동합니다. 신축성 세포 풍선이 나오기 전에 셀룰로오스의 작은 미세섬유들이 내부 표면을 따라 놓입니다. 무게 기준으로 이 작은 섬유들은 강철의 인장 강도를 가지고 있습니다! 이 셀룰로오스 미세섬유들의 배열은 강철 벨트처럼 신장 축에 수직인 띠 모양으로 배열되어 있습니다. 이 단단한 띠들은 식물의 세포벽을 측면으로 강화하여 세포가 물을 빨아들일 때 세포가 축을 따라 길게 팽창할 수 있는 유일한 방법입니다.

3번 문제입니다. 지금 우리는 어디론가 가고 있습니다. 새로 만들어진 셀룰로오스 마이크로 파이버는 어떻게 정확하고, 신장 축에 수직인 방향으로 배치되어 있습니까? 이렇게 동작합니다. 셀룰로오스 극세사를 만드는 복잡한 효소 머신은 내부 표면을 따라 선로처럼 달리는 특별한 가이드 레일에 의해 인도됩니다. 효소 복합체는 이러한 가이드 레일을 따라 이동하여 마이크로 파이버를 부설합니다. 가이드 레일은 마이크로 튜브라고 불리는 사슬 모양의 단백질 분자로 구성되어 서로 중첩되는 배열로 조립되어 있습니다. 식물학자들은 세포 표면 내부와 관련된 이러한 배열을 '피질 미소관'이라고 부릅니다

4번 문제입니다. 하지만 우리는 퍼즐을 하나만 다른 퍼즐과 교환했습니다. 피질 미소관은 어떻게 신장축에 대해 수직으로 올바르게 위치하고 있는 것입니까? 이렇게 동작합니다. 새로 만들어진 세포에서는 미세소관 어셈블리가 이미 존재하지만 조직화되어 있지 않습니다. 그들은 그저 무작위로 어질러져 있을 뿐입니다. 세포벽의 강성을 저하시킴으로써 세포가 신장할 준비를 할 때 미소관은 집합체는 피질 미소관이라고 불리는 질서 있는 가로 배열로 편성됩니다.

5번 문제입니다. 마지막으로 우리는 처음에 대답하려고 했던 질문에 도달했습니다. 미세소관 어셈블리는 어떻게 올바르게 정렬되어 있습니까? 어떤 신호가 그것들을 신장축에 수직인 방향으로 인도합니까? 그것이 우리가 대답해야 할 질문입니다.

 

세포의 생물학 식물의 성장

 

세포 생물학 실험

이 문제는 펜실베이니아 주립대학의 리처드 사이어 연구실에서 쉽고 직접적인 방법으로 실험적으로 해결되었습니다. 경직된 식물세포는 한 세포에서 다른 세포로 기계적인 힘을 잘 전달하고, 캐롤 와이머(당시 Cyrlab의 대학원생)는 어떤 기계적인 힘이 피질미소관 배열을 이끄는 신호라고 의심했습니다

와이머는 원심 분리를 사용하여 이 가설을 테스트하기 시작했습니다. 피질미소관이 힘을 가함으로써 위치정보를 얻은 경우, 이들의 위치맞춤은 원심력에 의해 영향을 받아야 하며, 세포벽의 완전성(기계적 힘을 전달하고 있는 것으로 추정됨)이 세포벽의 형성을 방해하는 화학물질에 의해 방해받고 있는 경우에는 불가능합니다.

와이머는 Cyr랩의 다른 사람들과 함께 길쭉한 세포부터 시작했습니다. 그녀는 세포벽을 파괴하는 효소에 식물세포를 노출시켜 공 모양의 식물세포를 만듦으로써 담배식물 니코티아나타바캄에서 프로토플라스트(벽이 없는 세포)를 분리했습니다. 배양이 허가되면 이러한 프로토플라스트는 최종적으로 세포벽을 재형성합니다.

방향력이 식물세포 신장 패턴에 미치는 영향을 알아보기 위해 와이머와 동료들은 담배 프로토플라스트를 원심분리기에서 발생하는 방향력에 노출시켰습니다. 이전 실험에서는 이러한 실험에 사용된 저속에서의 원심 분리가 프로토플라스트의 무결성 또는 형상을 파괴하지 않는 것을 결정했습니다. 프로토플라스트는 틀에 지지된 한천 배지에 매립함으로써 원심 분리를 위해 고정화되었습니다. 내장된 프로토플라스트는 450 rpm에서 15분 동안 원심분리기로 돌렸습니다. 원심 분리 후 매립된 세포는 72시간 배양되어 세포의 신장이 가능해졌습니다.

원심분리 후 형광표지된 미세소관 항체를 프로토플라스트에 적용하여 면역형광현미경으로 미세소관의 배향을 조사하였습니다. 세포 신장에 방향력 센서로서 미세소관이 관여하고 있는 것을 확인하기 위해 미세소관을 파괴하는 화학 제초제 APM으로 원심 분리 전에 일부 프로토플라스트를 배양했습니다.

 

세포 배향 실험 결과

원심 분리의 생물 물리적 힘은 72시간 배양 기간 후 프로토플라스트의 신장 패턴에 큰 영향을 주었습니다. 미소관은, 원심 분리되어 있지 않은 프로토플라스트에 랜덤하게 배치되었지만, 원심 분리되어 있던 프로토플라스트에 의해 많이 배열됩니다. 이러한 세포 내의 미소관은, 힘의 방향과 평행으로, 신장축에 거의 수직인 방향으로 배향되어 있었습니다.

 

물리적인 힘에 따른 성장

이러한 결과는 식물 세포의 성장이 외부의 생물 물리적 힘에 반응한다는 가설을 뒷받침하고 있습니다. 식물세포가 통상 원심분리에 의해 발생하는 기계적 힘의 종류에 노출되지 않는 것은 사실이지만, 이 조작은 물리적 힘이 피질미소관의 방향에 영향을 준다고 가정해 세포 성장에 어떤 영향을 미치는지를 보여줍니다. 이것들은 소세포 수준에서 작용하는 작은 일시적인 생물 물리적 힘일지도 모릅니다. 화학적 아미프로포스메틸(APM)을 파괴하는 미소관에 노출된 제제에서는 방향성 신장이 저해되었습니다. 이것은 식물의 신장축을 방향을 잡기 위해서 미소관의 재배향이 실제로 필요하다는 것을 시사하고 있습니다. 이 실험들은 세포의 신장을 방향 짓는 미세소관 재배향이 기계적인 힘에 의해 방향이 잡힐 수 있다는 가설을 뒷받침하고 있습니다. 자연의 힘이 무엇인가 하는 것은 열린 질문이며, Cyrlab에서 추구하는 많은 흥미로운 미래 실험에 기회를 제공합니다.