세균들 의사소통! 항생제의 손상까지 막을 수 있는 박테리아 커뮤니케이션

포르투갈(Portugal) 국제 생의학 연구센터인 IGC (Instituto Gulbenkian de Ciência) 소속 카리나 액사비어 (Karina Xavier)가 이끄는 연구팀은 장내에 살고 있는 박테리아들이 서로 의사소통을 한다는 것을 밝혔다. 사람들이 단어를 사용하여 의사소통을 하는 것처럼 박테리아들은 작은 분자를 이용하여 장내의 특정 박테리아의 개체 수를 조정함으로써 항생제 치료로 손상된 부분을 회복시킨다. 생명공학 분야의 세계 최고 권위의 과학학술지인 “셀(Cell)”의 자매지인 “셀 리포트(Cell Reports)” 2015년 4월호 표지로 선정된 본 연구는 박테리아가 서로 의사소통 하는 언어를 이용하면 인간의 장에 살고 있는 엄청난 수의 미생물들을 연구하고 조정할 수 있다는 잠재성을 보여준다.

우리는 과거 오랜 기간 동안 박테리아를 인간에게 해로운 유기체로 인지하고, 많은 질병의 원인으로 보았다. 그러나 지난 10년간의 연구 결과로 박테리아에 대한 좋지 않았던 인식이 바뀌고 있다. 최근, 과학자들은 인간의 몸 속, 특히 창자에 살고 있는 박테리아들 중, 특정 박테리아 종이 인간에게 이로운 특성을 가진다는 연구를 발표하고 있다. 이러한 미생물들은 장에 기생하는 보잘 것 없는 미물로 보일 수 있지만, 인간의 몸이 섭취한 음식을 최대한으로 활용할 수 있게 돕고, 질병을 일으키는 감염균들로부터 몸을 보호하는 역할을 한다. “항생제 치료 또는 다이어트로 인해 이러한 장내 미생물의 일부를 손실하게 되면, 박테리아 군집체에 불균형이 생기고 결과적으로 인간은 전염병, 염증성 장 질환, 비만, 암 등의 위험에 노출된다”고 카리나 액사비어는 말했다. 그러므로 카리나 액사비어와 같은 과학자들은 박테리아의 의사소통 방법을 간절히 이해하고자 하며, 이러한 지식을 인간의 건강에 이롭게 사용하고자 한다.

박테리아가 의사소통을 하는 하나의 방법은 일종의 화학적 언어를 사용하는 것이다. 박테리아는 자가 유도 물질(autoinducer)이라는 작은 분자를 생산하고 교환할 수 있다. 박테리아들은 다른 박테리아들이 분비하는 신호 물질을 인지함으로써 자신과 동종인 미생물의 밀도를 모니터링하는데, 이러한 과정을 쿼럼 센싱(quorum sensing)이라고 한다. 박테리아들은 각각의 종에 따라 특성화된 수많은 신호를 만들어 내는데, 자가 유도 물질-2 (Autoinducer-2, AI-2)는 거의 대부분의 박테리아가 생산하고 반응하는 분자이다. AI-2 신호는 박테리아 종 사이에서 의사소통을 조성하고, 박테리아의 행동 양식을 조정한다. 카리나 액사비어가 이끄는 연구팀은 포유류의 장에 사는 박테리아들의 의사소통을 하는 언어로서 AI-2의 역할에 대해 연구를 수행 중이다. “우리는 실험을 통해 박테리아들이 서로 상호 작용을 한다는 것을 밝혔다. 우리가 정말 궁금해 하는 것은 몸 속에서 정말로 이러한 일이 일어나면 박테리아의 의사소통이 숙주 격인 인간에게는 어떤 의미를 가지는지이다”라고 본 연구의 공동 주저자인 제시카 톰슨(Jessica Thompson)은 말했다. 유기체 모델인 실험용 쥐를 이용하여, 연구진은 장내의 대장균(Escherichia coli, E. coli)이 AI-2를 생산하고 감지한다는 것을 확인하였다.

다음 단계로, 연구진은 항생제 치료를 받은 후 장내의 박테리아 종 구성에 AI-2 분자가 영향을 미치는지를 연구하였다. 실험용 쥐의 장에 엄청나게 많이 존재하는 대표적인 두 그룹은 박테로이데테스(Bacteroidetes)와 피르미쿠트(Firmicutes)이다. 연구진은 장내 박테리아 군집에 불균형을 초래하는 것으로 알려진 아주 강력한 항생물질인 스트렙토마이신(streptomycin)으로 치료를 시행한 후, 박테리아의 종의 다양성이 상당히 감소한 것을 확인하였다. 항생제 치료 후 남아 있는 박테리아의 대부분은 박테로이데테스 계열뿐이었다. 실험용 쥐가 AI-2 분자를 대량으로 생산할 수 있는 대장균을 흡수한 후, 놀랍게도, 이러한 박테리아 군집의 불균형은 감소했다. 이러한 결과는 박테리아 본연의 신호가 항생제 치료로 손상된 몸에 이로운 박테리아들을 보호하고 재건하는 유용한 도구를 제공한다는 것을 보여준다. “본 연구 결과는 박테리아가 AI-2를 언어로 이용하여 수다를 떠는 것처럼 보이는데, 장내 박테리아의 구성 요소들을 조율할 수 있다는 것을 시사한다. 본 연구는 박테리아의 의사소통을 통해 장내의 미생물들의 종이 균형을 이룰 수 있다는 것을 보여준 최초의 연구”라고 본 연구의 공동 주저자인 아나 리타 올리베이라(Ana Rita Oliveira)는 말했다.

“본 연구는 박테리아의 화학적 언어를 조정하여 장내 미생물의 구성 요소를 조정할 수 있다는 것을 보여준다. 특히 흥미로운 점은 대부분의 박테리아가 보편적으로 만들어 내는 AI-2 분자가 많아질수록, 수많은 전염병 및 감염인자로부터 숙주인 인간을 보호하는데 필수적이라는 것이다. 앞으로 연구를 거듭하여 박테리아의 의사소통 메커니즘에 대한 이해를 더욱 증진하고, “이로운 박테리아”를 이용하여 항생제의 효과를 개선하며, 질병을 치료하는데 이들 박테리아를 활용하고자 한다.”라고 카리나 액사비어는 말했다.

1.그림설명: 본 그림의 노란색과 파란색 형광색은 박테리아(대장균)을 나타낸 것으로, AI-2 신호를 생산하거나 제거하기도 한다.
2. 원문정보: Story Source: The above story is based on materials provided by Instituto Gulbenkian de Ciencia. Note: Materials may be edited for content and length.
3. 참고문헌: Thompson, J.A., Oliveira, R.A., Djukovic, A. Ubeda, A., Xavier, A. Manipulation of the Quorum-Sensing Signal AI-2 Affects the Antibiotic-Treated Gut Microbiota. Cell Reports, 2015 DOI: 10.1016/j.celrep.2015.02.049