나노폴리스티렌에 노출된 예쁜꼬마선충의 대사물질 및 표현형 분석 = Metabolic and Phenotype Profiles of Caenorhabditis elegans Exposed to Nanopolystyrene

국문 초록 (Abstract)

나노플라스틱은 현대 생활에서 생활용품 및 화장품 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다. 플라스틱오염물은 최근 환경에서 지속적으로 검출되고 있으며 이에 따라 이들의 잠재적인 독성 효과에 대한 연구가 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 예쁜꼬마선충을 나노폴리스티렌에 노출시킨 후 발생하는 독성 영향을 평가하였다. 나노폴리스티렌의 독성을 평가하기 위해 총 2 가지의 실험모델을 준비하였다. 첫 번째는 50 과 200 nm 크기의 입자를 예쁜꼬마선충에 노출시킨 것으로 크기 의존적 독성을 확인할 수 있는 실험모델이었다. 두 번째는 표면에 카르복실기 (PS-COOH) 및 아미노기 (PS-NH2)의 작용기를 가진 것과 일반 폴리스티렌 (PS-N)을 준비하여 표면의 특성에 따른 독성을 확인할 수 있는 모델이었다. 본 연구에서 독성 효과를 확인하기 위하여 폴리스티렌 입자를 L4 단계의 예쁜꼬마선충에 24 시간 노출시켰다. 나노폴리스티렌의 흡수는 공초점현미경을 통해 관찰하였고, 운동 능력 및 번식 능력, 산화스트레스 등의 다양한 표현적 변화를 측정하였다. 또한, 예쁜꼬마선충에서 유의성 있게 변한 대사물질을 확인하기 위하여 대사체학 및 지질체학연구를 수행하였다. 나노폴리스티렌에 노출된 예쁜꼬마선충에서 주로 에너지와 관련된 대사물질이 영향을 받았으며 해당 물질에는 TCA cycle 중간물과 포도당, 젖산 등이 포함되었다. 지질의 대사과정도 영향을 받았으며, 지질 농도의 변화는 클래스 별로 경향성을 나타냈다. 나노폴리스티렌은 또한 산화스트레스를 유도하였고, 운동능력 및 번식 능력을 감소시켰다. 종합적으로, 본 연구 결과를 통해 나노폴리스티렌 노출에 따라 발생하는 독성 기전을 제공하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nanoplastics are widely used in modern life as daily product and cosmetics. Recently, plastic contaminants are constantly detected in environments. Therefore, they are drawing attention due to their potential toxic effects. In this study, toxic effect induced by exposure of nanopolystyrene to Caenorhabditis elegans (C. elegans) were evaluated. Two experimental models were prepared to evaluate toxicity of nanopolystyrene. First, the nanopolystyrene with particle size of 50 and 200 nm were prepared to study size dependent toxicity of plastics. Then, three types of nanopolystyrene were prepared which were uncharged polystyrene (PS-N), carboxylated PS (PS-COOH), and aminated PS (PS-NH2). These polystyrene particles were exposed to C. elegans to compare toxicity according to their surface characteristics. The nanopolystyrene particles were exposed to L4 stage of C. elegans for 24 h. Uptake of nanopolystyrene was monitored through a confocal microscope. Then, various phenotype assays were performed including locomotion, reproduction and oxidative stress. In addition, metabolomics and lipidomics were performed to identify significantly affected metabolites and lipids. Nanopolystyrene mainly caused perturbation of energy related metabolites, including TCA cycle intermediates, glucose and lactic acid. Lipid metabolism was also affected and their perturbation showed class dependent tendency. Nanopolystyrene also induced oxidative stress and reduction of locomotion and reproduction. Collectively, this study provides new insight into the toxic mechanism of nanopolystyrene particle toward environments.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 실험방법 10
• 1. 시료 및 시약 10
• 2 나노폴리스티렌 입자의 물리화학적 특성 10
• 3 예쁜꼬마선충의 배양 및 나노폴리스티렌 처리 11
• 4 예쁜꼬마선충의 나노폴리스티렌 입자 흡수 13
• 5 대사물질 추출 14
• 6. 지질 추출 15
• 7. GC/MS 분석 15
• 8. LC/MS 분석 (metabolites) 16
• 9. LC/MS 분석 (lipids) 16
• 10. GC/MS specctra process 17
• 11. LC/MS specctra process 19
• 13. 데이터 처리 및 분석 20
• 14. Pathway 분석 및 network visualization 20
• 15. 치사율 분석 21
• 16. 운동 능력 평가 21
• 17. 번식 능력 평가 22
• 18. 활성산소 (ROS) 평가 22
• 19. 스트레스 반응 평가 22
• 20. 통계분석 및 시각화 23
• Ⅲ. 결과 및 고찰 24
• 1. GC/MS 기반 대사체학을 이용한 폴리스티렌의 독성 연구 24
• 1.1 나노폴리스티렌 입자의 물리화학적 특성 24
• 1.2 예쁜꼬마선충의 나노폴리스티렌 입자 흡수 24
• 1.3 예쁜꼬마선충의 대사물질 및 표현형의 변화 29
• 2. 지질체학 및 LC/MS 기반 대사체학 기반 표면 작용기를 가진 나노폴리스티렌의 독성 연구 39
• 2.1 나노폴리스티렌 입자의 특성 39
• 2.2 나노폴리스티렌 입자의 노출에 따른 표현형 변화 44
• 2.3 대사물질 및 지질의 다변량 분석 46
• 2.4 네트워크 기반 pathway 분석을 통한 대사과정의 변화 분석 55
• 2.5. 나노폴리스티렌 표면 성질에 따른 대사물질 및 표현형의 변화 64
• 3. 본 연구체계를 응용한 연구 - 트리클로산의 독성 연구 69
• Ⅳ. 결론 76
• Ⅴ. 참고문헌 78