하인리히 하이네 뒤셀도르프 대학교(HHU)의 연구자들은 프랑크푸르트/마인, 옥스퍼드, 뷔르츠부르크의 동료들과 협력하여 꿀벌(Apis mellifera)의 복잡한 협동적 행동이 유전적으로 어떻게 프로그래밍되어 다음 세대로 전달될 수 있는지 조사하고 있습니다. 그들이 과학 저널 Science Advances에 설명했듯이, 그들은 doublesex 유전자(dsx)로 알려진 것에서 답을 찾았습니다.

유기체 간의 행동적 상호작용은 근본적이며 종종 유전됩니다. 모든 인간과 모든 동물은 행동을 통해 어떤 방식으로든 사회적 집단의 다른 개체와 상호 작용합니다. 동물계에서 이는 집단적으로 음식을 찾고, 포식자에 대한 방어를 하고, 자손을 키우는 데 상당한 이점이 있습니다.

꿀벌과 같은 일부 동물의 경우 사회적 행동 유대감이 너무 강해서 개별 구성원이 긴밀한 사회를 형성하여 단일 "초유기체"로 집단적으로 기능합니다. 수천 마리의 일벌이 개별 행동을 통해 전체 군집을 보호하고 먹이를 주고 새끼를 돌봅니다.

HHU의 진화 유전학 연구소를 이끌고 현재 Science Advances에 게재된 연구의 책임 저자인 마틴 베예 교수는 다음과 같이 강조합니다. "개별 벌의 행동 레퍼토리와 군집에서의 기능은 학습된 것이 아니라 유전된 것입니다. 지금까지는 그러한 복잡한 행동이 어떻게 유전적으로 인코딩되는지 알려지지 않았습니다."

바이에가 이끄는 HHU 연구진과 제1저자인 비비안 조머 박사는 프랑크푸르트/마인, 옥스퍼드, 뷔르츠부르크 대학의 동료들과 협력하여,  dsx  라는 특수 유전자가 일벌의 특이적 행동을 결정한다는 사실을 발견했습니다.

Sommer: "이 유전자는 일벌이 군집에서 어떤 일을 맡을지, 얼마나 오랫동안 맡을지를 프로그램합니다. 여기에는 유충을 돌보거나 먹이를 찾는 것과 같은 집단적 일과, 예를 들어 먹이원에 대한 사회적 교류가 포함됩니다."

생물학자들은 조사에서 CRISPR/Cas9 유전자 가위를 사용하여  선택된 벌의 dsx  유전자를 수정하거나 끕니다. 그들은 조작된 벌에 QR 코드를 부착한 다음 카메라로 벌집에서 벌의 행동을 모니터링했습니다. 그 결과 나온 비디오 시퀀스는 인공 지능의 지원을 받아 분석하여 벌의 개별 행동 패턴을 파악했습니다.

Sommer: "우리의 핵심 질문은 유전된 행동 패턴이 유전자 변형의 결과로 어떻게 변하는지 여부였습니다. 그러한 변화는 특정 행동이 제어되는 일벌의 신경계에 반영되어야 합니다."

연구자들은  dsx  서열에 녹색 형광 단백질(GFP)을 도입하여 GFP가 dsx 단백질과 함께 생성되도록 했습니다. 그런 다음 신경 회로를 형광 현미경을 사용하여 변형되지 않은 벌과 유전자 변형된 벌 모두에서 볼 수 있었습니다. "우리는 이러한 도구를 사용하여  dsx  유전자가 뇌에서 어떤 신경 경로를 만드는지, 그리고 이 유전자가 꿀벌의 유전적 행동 패턴을 어떻게 지정하는지 정확히 볼 수 있었습니다."라고 연구의 공동 저자이기도 한 박사 연구원 Jana Seiler가 설명했습니다.

"저희의 연구 결과는 일벌의 신경 회로와 행동을 결정하는 근본적인 유전 프로그램을 나타냅니다." 뷔르츠부르크 대학교에서 연구를 이끈 행동 생리학 및 사회 생물학과의 볼프강 뢰슬러 교수가 말했습니다.

다음 단계에서 연구자들은 이제 개별 꿀벌 수준에서 벌 군집 초유기체로 이동하고자 합니다. HHU의 박사 연구원이자 연구 공동 저자인 알리나 스텀은 "개별 프로그래밍과 많은 개체의 조정된 행동 사이의 연관성을 찾기를 바랍니다."라고 덧붙였습니다.

참고문헌:  Sommer V, Seiler J, Sturm A, et al. 사회성 꿀벌의 집단 지원 행동을 위한 전담 개발 프로그래밍.  Science Advances . 2024;10(44):eadp3953. doi:  10.1126/sciadv.adp3953