일반적으로 광범위 항생제를 지속적으로 복용하면 병원성 세균 감염에 대한 저항성이 약화된다. 그 원인이 장내에 존재하는 마이크로바이움(腸內 微生物)의 변화에 의한 것이란 논문이 발표됐다. 특정 유전자의 움직임을 자세히 살펴 병원체와의 상호 작용을 규명해냈다는 점에서 중요한 의미를 갖는 연구결과다. 향후 인체 장내 세균 감염 시, 저항력을 감소시키는 원인 미생물과 유전자를 찾아낼 수 있어 장 관련 질환의 새로운 바이오마커로 활용 될 전망이다.

연세대학교 의과대학 미생물학교실 윤상선 교수팀은 암피실린, 반코마이신, 스트렙토마이신 및 클린다마이신 등의 광범위 항생제로 처리한 실험용 쥐(마우스)를 연구대상으로 활용했다. 연구팀은 광범위 항생제를 지속적으로 복용한 쥐가 대표적 병원성세균 중 하나인 콜레라균에 의한 감염에 매우 취약하다는 점에 착안하여 ‘장내 공생세균과 숙주(실험용 쥐)와의 상호작용 때문’이라는 가설을 설정했다.

연구팀은 실험용 쥐 장내에 있는 공생세균 균총의 다양성은 감소되는 반면 특정 미생물 군집이 특이하게 증가했음을 확인했다.(그림 1 참조)

실험용 쥐의 장내 공생세균 균총을 분석한 결과, 특이 유전 형질을 가진 대장균이 폭발적으로 증가한 것으로 나타났다. 새로이 발견 된 증폭 대장균은 지금까지 알려진 일반적인 대장균과는 다른 특징을 보였다.

유전체(genome) 분석 결과 새로운 증폭 대장균은 기존 대장균 보다 더 많은 유전자를 지니고 있음이 확인됐다. 가장 큰 차이점은 새로운 증폭 대장균이 다른 종의 세균으로부터 유입된 것으로 예측되는 카탈라아제(catalase) 유전자를 하나 더 가지고 있었다는 점이다.

카탈라아제 유전자를 하나 더 가진 증폭 대장균은 활성산소(reactive oxygen species, ROS)에 대한 매우 높은 저항성을 보였다. 연구팀은 새로운 카탈라아제 유전자가 기존 대장균이 지닌 KatE 유전자와 상동성이 있어 eKatE(extra KatE)라 이름 붙였다. 계속 된 실험에서 eKatE 유전자를 결핍시킨 증폭 대장균은 활성산소에 대한 저항성을 잃었으며 eKatE 유전자가 발현하도록 재조합 시킨 기존 대장균은 활성 산소에 매우 높은 저항성을 보였다.

연구팀은 명확한 인과관계를 규명하기 위해 세균 이식(transplantation) 실험을 진행했다. 완전하게 공생세균 형성이 이루어지지 않은 갓 태어난 실험용 쥐에 증폭 대장균을 이식했을 경우 콜레라 감염이 심각하게 진행됐으며 한 단계 더 나아가 같은 조건의 실험용 쥐에 eKatE 유전자가 결핍된 증폭 대장균을 이식했을 경우에는 콜레라균에 대한 감염이 증가되지 않음을 발견했다.

  윤상선 교수는 이번 연구결과에 대하여 “항생제에 반응하는 장내 미생물 분석을 통해 장내 공생미생물의 변화를 관찰한 결과 특정 유전자가 장내 환경을 변화시키고 감염성 세균 증식을 유도한다는 사실을 확인했다. 항생제 복용 후 발생하는 장내 감염성 질환의 진단과 치료에 도움이 될 것이다”라고 말했다.

연구팀은 특정 유전자를 규명함으로써 항생제에 의해 발생하는 장 질환의 치료 방법을 모색하는데 이번 연구결과가 중요한 자료로 사용되며 이러한 특정 유전자들의 추가 탐색이 이뤄지면 장내 관련 질환에 대한 진단 및 치료용 바이오마커로 제시되어 치료 목표를 수립하는데 큰 도움이 될 것으로 내다봤다.

윤상선 교수팀의 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학 전문지인 ‘네이처’의 온라인 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)(인용지수 11.47)’에 5월 13일자로 게재됐다.

논문 제목은「A single gene of a commensal microbe affects host susceptibility to enteric infection (숙주의 감염 저항성에 영향을 미치는 공생미생물 유래 단일 유전자의 동정 및 기능 분석)」이다.