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초파리는 실제로 다양한 질병모델로서 사용이 되고 있으며 파킨슨병, 암, 우울증, 당뇨병 등의 모델에 사용될 수 있습니다. 이 외에 다른 질병모델은 다음과 같습니다. 첫번째로 초파리는 심장질환(Cardiovascular Diseases) 모델로써도 사용되곤 합니다. R. J. Wessells의 “Drosophila Models of Cardiac Disease”에 의하면 초파리는 인간 심장과 기능적 및 유전적 유사성을 가지고 있으며 (그림 1), 구조가 상대적으로 간단해서 연구에 적합하다고 합니다. 또한 초파리는 유전학적 연구에 매우 용이하기 때문에 이를 이용해 심장 관련 세포 신호 경로, 스트레스 반응 등을 연구하며 그 메카니즘을 밝히는데 많이 사용됩니다. 두번째로 근위축성 측삭 경화증(ALS; Amyotrophic Lateral Sclerosis) 모델로도 사용됩니다 (그림 2). Laurent Soustelle의 “Amyotrophic Lateral Sclerosis Genes in Drosophila melanogaster” 논문에 따르면 인간 ALS 관련 유전자인 SOD1, FUS 등의 유전자들이 초파리에서도 발현될 수 있으며, 이를 통해 병리학적 연구에 많이 사용한다고 합니다. 이런 신경 퇴행성 질환 역시 초파리의 유전학적 장점을 이용해 ALS에서 주로 관찰이 되는 단백질 응집, 미토콘드리아 기능 등의 복잡한 메커니즘을 이해하는데 사용이 됩니다.

그림 1. 초파리 larva의 심장구조

* 그림출처: Piazza N et al. Prog Mol Biol Transl Sci. 2011;100:155-210.

초파리에도 심장이 있으며 사람의 심장과 구조적, 기능적으로 비슷한 면이 많습니다. 유전적으로도 보존이 잘 되어 있으며 초파리가 상대적으로 간단한 심장 구조를 가지고 있기 문에 유전학적인 연구가 용이합니다.
 

그림 2. 초파리 ALS 모델

* 그림출처: Liguori F et al. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2024;1870(5):167192.

ALS 관련 유전자 중 하나인 SOD1을 이용해 human mutant SOD1을 초파리 신경에 발현시키면, 초파리의 survival rate의 감소부터 시작해 전체적인 움직임도 감소하며 neuroinflammation의 증상이 보입니다.

보통 실험에 사용이 되는 초파리들은 유전적으로 조작이 된 형질전환 초파리들이 많으며 LMO(Living Modified Organism)의 일종으로 구분이 됩니다. 따라서 실험실 밖으로 유출이 되면 생태계를 위협할 수 있으며 이에 따른 여러가지 폐기방법들이 존재합니다. 각 국가마다 LMO 폐기와 관련된 법규가 다르지만 공통적으로 LMO를 폐기하기 전에 폐기할 LMO의 양, 종류, 방법들을 해당 관할 기관에 사전 신고하거나 허가를 받게 됩니다. 우리나라 같은 경우 환경부나 농림축산식품부 같은 곳에서 폐기 절차를 관리합니다. 또한 각 연구실별로 폐기하는 방법이 조금씩 다르겠지만 안전하게 폐기하기 위해서는 물리적, 화학적, 열적 방법으로 불활성화를 하거나 멸균하게 됩니다 (그림 1). 물리적 혹은 열적 방법으로는 고온고압의 멸균기에 넣어 생물학적 비활성화를 시키는 방법이 있으며, 화학적 방법으로는 여러가지 화학소독제를 사용하는 방법이 있습니다. 대표적으로 단백질을 변성시키고 식물성 박테리아와 바이러스를 포함하는 지방질에 대해 매우 효과적인 알콜(Alcohol)을 사용하거나 (그림 2) 아니면 모든 다양한 미생물에 활성을 가지며 유기물질에 의해 거의 불활성화 되지 않는 포름알데하이드(Formaldehyde) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde)를 많이 사용합니다. 주로 삼각 플라스크에 알콜을 적당량 넣고 폐기할 초파리들을 깔대기를 이용해서 넣는 방법을 많이 사용합니다.

그림1. 물리적, 화학적, 열적 방법을 통한 생물학적 불활성화 방법

* 그림출처: 공동연구지원센터. 가톨릭대학교 성의교정. 연구실안전관리-생물안전; 감염성 폐기물의 처리. 

LMO로 분류되는 형질전환 초파리의 생물학적 활성을 제거하는 방법에는 물리적, 열적, 화학적 방법들이 있습니다. 예를 들어 고압증기멸균, 자외선 살균소독, 화학약품 처리의 방법들이 있습니다.
 

그림2. 초파리의 화학적 불활성화 방법

형질전환 초파리의 여러가지 폐기방법 중 화학적 방법의 한 예로 에탄올 처리가 있습니다. 초파리 성체는 에탄올에서 가라앉는 특징이 있으며 특히 90% 이상의 농도에서는 10분 이내로, 30%의 농도에서는 40분 이내로 생물학적 활성이 없어집니다. 

초파리는 보통 애벌레 시기로 5-6일 정도 보내게 됩니다. 25℃, 70%의 습도조건에서 평균적으로 이 정도의 발달속도를 보여주며 이런 속도를 조절하는 방법에는 크게 2가지 방법이 존재합니다. 

첫번째로는 온도 입니다. Michael B. Eisen의 “Drosophila embryogenesis scales uniformly across temperature in developmentally diverse species”라는 논문과 Martina Galikova의 “Reproductive fitness of Drosophila is maximized by optimal developmental temperature”라는 두 논문에 의하면 초파리의 발달속도는 온도에 크게 영향을 받습니다. 25℃가 가장 최적의 온도이며 온도가 조금 낮은 18℃에서는 발달 속도가 매우 느려지며, 반면 29℃의 조금 높은 온도에서는 발달속도가 매우 빨라집니다. 29℃의 높은 온도에서는 발달속도를 빠르게 조절 할 수 있겠지만 성체의 생식능력이 조금 저하 될 수 있다는 연구결과도 있습니다. 

두번째로는 영양 입니다. 영양 상태 역시 초파리의 발달속도에 영향을 미칠 수 있는 중요한 요인입니다. 초파리에도 사람과 비슷한 insulin signaling이 존재합니다 (그림 1). 하지만 초파리는 brain의 IPC(Insulin Producing Cell)에서 insulin이 나오게 됩니다. 이런 insulin signaling의 대표적 하위 경로인 TOR pathway를 통해서도 초파리의 발달속도가 조절될 수 있습니다. Genetic manipulation을 통해 TOR pathway에 변화를 준다면 초파리의 발달속도를 조절할 수 있습니다. 

그림 1. 초파리의 인슐린 경로

* 그림출처: Yoon S et al. J Neurogenet. 2023;37(1-2):57-69.

초파리 뇌에 존재하는 인슐린 분비세포와 인슐린 경로를 보여주는 그림입니다. 인슐린 펩타이드 중 2 ,3, 5가 사람의 인슐린과 유사하다고 알려져 있으며 지방세포나 근육세포 같은 곳의 인슐린 수용체에 붙게 됩니다. 하위 PI3 Kinase를 통해 metabolism, growth 등이 조절됩니다.

초파리는 완전 변태를 하는 곤충으로서 알부터 애벌레 시기를 지나 번데기가 되고 나아가 성충이 되는 life cycle을 가지고 있습니다 (그림 1). Gyeong Baeg의 “Drosophila melanogaster as a model organism to study nanotoxicity”에 따르면 보통 애벌레는 크기에 따라 1령, 2령, 3령의 시기를 거치며 25℃, 70%의 습도 조건에서 1령에서 2령이 되는데 24시간, 2령에서 3령이 되는데 24시간이 걸립니다. 3령에서는 임계 무게(Critical Weight)에 도달하기 전까지 약 2-3일의 시간이 걸리며, 임계 무게를 거쳐 번데기가 되고 나서는 3-4일의 시간을 보내게 됩니다. 이런 과정을 거치고 난 후, 성체 초파리가 번데기에서 부화하게 되며 성체 초파리의 평균 수명은 약 50일로 알려져 있습니다. 물론 온도, 습도, 먹이 조건에 따라 수명이 많이 달라지며 보통 온도가 더 높거나 많이 낮으면 수명이 단축 될 수 있으나 25℃, 70% 습도의 평균 조건에서는 50일의 평균수명을 갖는다고 알려져 있습니다. 

그림 1. 초파리의 생활사

* 그림출처: Ong C et al. Nanotoxicology. 2015;9(3):396-403

초파리의 생활사를 보여주는 그림입니다. 25℃ 기준으로 알에서부터 1령 애벌레까지 하루가 걸리며 2령, 3령까지 각각 하루가 걸립니다. 3령 애벌레에서는 약 2-3일 정도 후에 임계무게에 도달하게 되고 번데기가 됩니다. 번데기에서 3-4일 정도 후에 성체파리가 됩니다.