The photomovements of two Synechocystis sp. PCC 6803 (Syn6803) and ATCC 27184 (Syn27184) were examined in detail using the computer-aided cyanobacterial motion analysis combined with Pathfinder tracking software. The phototactic and photokinetic speeds of Syn6803 in liquid system were 5 ㎛/min and 15.8㎛/min, respectively, at 3μmol/㎡/s of stimulant white light. Syn6803 senses light direction rather than intensity for phototaxis. Syn27184 showed a weak photokinesis but no phototaxis. Analysis of Syn27184 suggests that the loss of phototaxis results from spontaneous mutation during several years of subculture. When directional irradiation was applied, the cell population of Syn6803 began to deviate from random movement and reached maximum orientation at 5 min after the onset of stimulant white light. Syn6803 showed high sensitivity to the stimulant white light of fluence rates as low as 0.002μmol/㎡/s. Neither DCMU nor DBMIB affected phototactic orientation whereas cyanide and azide inhibited only gliding speed. This result indicates that the phototaxis of Syn6803 is independent of photosynthetic phosphorylation and that its gliding movement is primarily powered by oxidative phosphorylation. When calcium was removed from the solid medium by EGTA, the phototactic gliding was inhibited. The depletion effect of calcium on phototaxis was partially recovered by the addition of divalent cations following the order: $Ca^{2+}, Mg^{2+}, Mn^{2+}, Sr^{2+}$, and $Ba^{2+}$. The phototactic gliding on soft agar was also inhibited by calcium ionophore, A23187, and channel blockers such as lanthanum and verapamil. This result implies that calcium ion is essential for the phototaxis in Syn6803. In the visible wavelength region, 520 nm, 660 nm, and even 730 nm caused positive phototaxis, but 360 nm light induced strikingly negative phototaxis. Therefore, at least two independent photoreceptors may exist to control phototaxis. The photoreceptor for positive phototaxis appears likely to be a phytochrome-like tetrapyrrole rather than chlorophyll α. This presumption is strongly supported by the fact that 660 nm light induced the phototaxis most effectively in zero-threshold action spectrum.
In addition, the quantitative and qualitative analyses of cyanobacterial glycerolipids were performed in order to examine whether there exist the gliding determinants such as unusual lipids. The relative abundance of SQDG in Syn27184 was significantly reduced when compared to that in Syn6803. The artificial reduction of either SQDG or PG did not affect the phototactic gliding motility in Syn6803. During the analysis of glycerolipids in both of strains, however, four minor monoacylglycerolipids such as MGMG, DGMG, SQMG, and LPG were first isolated from the fresh extracts. Palmitic acid (C16:0) in all monoacylglycerolipids was exclusively located at sn-2 position of glycerol backbone. It suggests that monoacylglycerolipids are presumably produced by the regioselective deacylation of specific lipases. Another unusual acylated glycoglycerolipids such as AcDGDG and AcDGMG were identified in FAB mass spectrum. Molecular prediction suggests that an additional palmitic acid is esterified to the hydroxyl group at the C-6 position of the terminal digalactose moiety of DGMG and DGDG.
두 종류의 남세균 Synechocystis PCC 6803 (Syn6803)과 ATCC 27184 (Syn27184)의 광반응 운동을 Pathfinder 운동 추적 소프트웨어와 전산화된 운동 분석 시스템을 이용하여 세부적으로 알아보았다. 액체배지에서 관찰된 Syn6803의 주광성과 광활성 속도는 백색 자극광 3μmol/㎡ 광량에서 각각 분당 5㎛와 15.8㎡㎛로 나타났다. Syn6803 세포의 주광성은 광의 강도를 인지하는 것이 아니라 방향을 인지하므로서 일어난다. Syn27184는 약한 광활성을 보인 반면에 주광성 운동은 관찰되지 않았다. 그러므로 Syn27184 세포의 주광성 운동의 상실은 장기간 계대 배양하는 과정에서 생겨난 돌연변이에 의한 결과라고 추측된다. 한 쪽 방향으로 자극광이 주어지면 Syn6803 세포 집단은 무작위 운동에서 자극광 조사 5분에 최대로 광방향으로의 정위를 보인다. Syn6803 세포는 자극 백색광에 대해 0.002 μmol/㎡/s의 낮은 광량에 대해서도 반응하는 높은 민감성을 보였다. 주광성 운동에 DCMU나 DBMIB는 영향을 미치지 않았으나 cyanide나 azide는 활주운동을 억제하였다. 이 결과는 Syn6803의 주광성 운동은 광합성과 무관한 현상이지만 활주운동의 에너지원은 산화적인 인산화과정에 의해 이루어진다고 추측된다. 칼슘 이온을 고체배지에서 EGTA에 의해 제거시키면 주광성 활주운동은 억제된다. 주광성 운동에서 이러한 칼슘제거 효과는 이가 양이온의 재첨가에 의해 부분적으로 회복되는데 칼슘, 마그네슘, 망간, 스트론튬, 그리고 바륨과 같은 이가 양이온 순서로 그 효과가 관찰되었다. 저농도 한천 배지상에서 주광성 활주운동은 칼슘 이온 투과 담체인 A23187과 란탄족 이온 그리고 verapamil과 같은 칼슘 채널 억제제에 의해서도 억제된다. 따라서, 칼슘은 Syn6803 세포의 주광성 활주운동에 필수적임을 알 수 있었다. 가시광선 영역에서 520, 660, 그리고 730 nm의 파장은 양성 주광성을 나타내지만 360 nm의 자외선은 음성 주광성을 유도한다. 그러므로 적어도 두 가지 이상의 광수용체가 존재하여 주광성을 조절하는 것으로 생각된다. 양성 주광성 활주운동의 광수용체는 클로로필 a보다는 피토크롬과 같은 tetrapyrrole 색소일 가능성이 높다. 이러한 추측은 660 nm 빛이 분계점 활성 스펙트럼 실험 결과로부터 가장 효과적이라는 사실이 이를 뒷받침한다.
또한, 특이한 지방과 같은 활주운동 결정분자가 존재하는지 알아보기 위하여 남세균의 글리세롤 지방분자들을 정성, 정량적으로 분석 조사하였다. Syn27184 세포에서 SQDG 지방이 Syn6803에 비교하여 현저하게 줄어 있었다. 그러나 인위적으로 Syn6803 세포의 SQDG나 PG와 같은 산성 글리세롤 지방을 감소시켜도 주광성 활주운동에는 영향을 주지 못하였다. 그러나, 이러한 글리세롤 지방 분석과정에서 네가지 MGMG, DGMG, SQMG, 그리고 LPG와 같은 monoacyl 글리세롤 지방이 처음으로 분리 확인되었다. 네가지 모든 monoacyl 글리세롤 지방에서 C16:0 지방산이 글리세롤 골격의 sn-2 위치에서 발견되었다. 따라서, monoacyl 글리세롤 지방은 특정 리파제 효소에 의한 지역 특이적인 탈 아실화 과정에 의해 만들어진 것으로 생각된다. 또 다른 특이한 글리세롤 지방인 AcDGDG와 AcDGMG이 고속원자폭격 질량분석기에 의해 발견되었다. 분자 구조적으로 볼 때, 추가적인 C16:0 지방산이 DGDG와 DGMG의 digalactose 말단 C6번의 수산기에 에스테르 결합을 하는 것으로 생각된다.
