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미생물이야기 유전자와 환경간의 상호작용 조절하는 박테리아
2013-08-01 17:51:37
이엠생명과학연구원

 

유전자와 환경간의 상호작용 조절하는 박테리아

 

[파퓰러사이언스 공동] 인체라는 이름의 생태계 

세그레 박사에 의하면 전 세계적으로 천식, 습진, 건초열 등 알레르기 장애 환자가 급격히 늘고 있는 추세다. 지난 30년 동안에만 환자수가 3배나 증가했다. 미국만 해도 천식 환자가 3천410만 명에 이르며 최대 5천만 명이 계절성 알레르기를 앓고 있다.

세그레 박사는 너무나 짧은 시간에 이 같은 일이 벌어졌다는 점에서 단순히 인간 게놈의 변화가 이 사태의 범인 이라는 주장은 설득력이 약하다고 말한다. 그녀의 설명이다. “그렇다면 인간 유전자와 환경간의 상호작용이 그 원인이라고 생각할 수밖에 없습니다. 그리고 저는 인체의 박테리아가 그 상호작용을 조절한다고 믿습니다.”

 

이제 NIH에 위치한 콩 박사의 진료실로 돌아가 보자. 그는 소년 환자 제이크에게 이런 질문들을 던졌다. “현재 어떤 약을 먹고 있니?” “학교에서는 항균비누를 쓰니?” “이번 달에 알레르기 상태는 어땠니?” 그리고는 제이크의 몸에서 발진이 있었던 모든 부위를 차트에 기록했다.

이후 콩 박사는 표본 채취에 들어갔다. 살균된 면봉으로 제이크의 팔꿈치 안쪽을 원을 그리며 문지른 뒤 솜이 있는 부분을 잘라 소독액이 담긴 플라스틱 시험관에 넣었다. 이 시험관을 드라이아이스 양동이에 넣은 그는 곧바로 메스를 집었다. 그리고 면봉으로 문지른 곳의 바로 옆 부분을 조심스레 긁어냈다.

그러자 메스 날에 작은 표피들이 묻었고 이를 면봉으로 채취해 다시 플라스틱 시험관에 넣었다. 콩 박사는 이 작업을 양쪽 팔꿈치와 양 팔뚝의 안쪽, 양 무릎 뒤쪽, 그리고 양쪽 콧구멍을 대상으로 반복했다. 이렇게 표본 채취를 끝내고도 그녀는 동료들과 함께 제이크의 몸에 있는 발진들의 사진을 찍었으며 맥박, 호흡, 체온, 혈압 등 생체기능까지 점검했다.

제이크는 자신의 피부 표본이 어떻게 활용되는지 잘 알지 못한다. 정확히 말해 그리 큰 관심도 없다. 콩 박사는 습진이 심할 때는 표백제를 물에 섞어 목욕을 하면 좋다고 권하는데 제이크가 그녀의 연구대상이 되려고 결심한 주된 이유도 바로 이러한 비법을 듣는 것이었기 때문이다.

다만 제이크는 자신의 표본이 질병 퇴치에 기여할 수 있으며 이때는 미래의 자녀에게 자신과 동일한 고통을 물려주지 않을 수 있다는 점에서 적잖은 뿌듯함을 느끼고 있다. 제이크를 비롯해 이번 실험에 참가한 20명의 아이들에게서 수거된 피부 표본은 NIH로부터 약 8㎞ 떨어진 한 연구실로 보내져 영하 80℃의 대형 냉동고에 보관된다.

이곳에서 생물학자 클레이 데밍 박사가 표본들을 콩 박사의 연구 자료로 변모시킨다. 그의 작업은 이렇다. 일단 표본이 담긴 시험관을 꺼내 해동시키고 박테리아의 세포벽을 붕괴시키는 라이소자임(lysozyme)을 첨가한다. 이 시험관을 혼합기(vortex mixer)로 잘 섞으면 라이소자임이 작용, 표본 속 박테리아에서 DNA가 빠져나온다.

그 다음 시험관의 내용물을 젤라틴 필터로 거르면 DNA 단편(DNA fragment)들을 얻을 수 있다. 데밍 박사는 이렇게 얻은 박테리아의 DNA 단편에 ‘중합효소 연쇄반응(PCR)’ 기술을 적용한다. PCR은 DNA의 특정 부분만 대량 증식시키는 기술로서 이를 통해 그는 ‘16SRNA’라는 유전자를 수백만 개로 복제한다.

16SRNA는 모든 박테리아가 보유하고 있지만 종(種)마다 염기서열이 달라 이를 분석하면 종 판별이 가능하다. 데밍 박사는 이런 방식으로 환자의 몸 곳곳에서 채취된 박테리아의 DNA 단편을 증폭, 각각의 16SRNA 유전자를 새로운 시험관에 넣어 NIH의 국제 시퀀싱센터(ISC)로 보낸다.

그러면 ISC에서 16SRNA의 염기 1,500개의 정확한 서열을 밝혀 각종 고유의 화학적 신호를 파악하게 된다. 마지막으로 기술자들이 각 염기서열 데이터를 내부 네트워크에 입력하면 콩 박사와 세그레 박사의 연구가 본격화되는 것이다.

피부는 하나의 생태계다

두 사람에게 피부는 하나의 생태계다. 다른 생태계와 마찬가지로 피부 생태계에도 1년 내내 머무르는 생물종이 있는가하면 특정부위에 특정기간만 활동하는 철새 같은 생물종도 있다. 또한 피부 생태계의 변화는 당연히 피부의 기능에 강력한 영향을 미친다. 일례로 표피 포도상구균은 피부 면역시스템이 특정 분자들을 식별할 수 있도록 도와줄 수 있다.

덕분에 피부는 유해한 생물종의 공격에 한층 효과적으로 대응할 능력을 가진다. 이 균은 또 유해물질이 피부에 들러붙는 것을 막아주는 단백질들을 대량 분비하기도 한다.

 

만일 이러한 미생물 간의 복잡한 상호작용이 방해를 받게 된다면 피부에 문제가 생길 개연성이 매우 높아질 수밖에 없다. 현재 세그레 박사는 습진 연구를 통해 향후 습진에 걸리게 될 아동들에게 발병 시점을 예보해 줄 미생물 군집을 발견하거나 환자별로 최적화된 치료법을 제시할 수 있게 되기를 기대한다.

어떤 환자에게는 표백제 목욕이 습진을 진정시키는 데 좋지만 어떤 환자들은 항염 스테로이드 처방이 가장 효과적일 수 있기 때문이다. 물론 콩 박사와 세그레 박사만이 미생물 군집과 피부염증의 상관관계를 연구하는 것은 아니다. 뉴욕대의 미생물학자이자 물리학자인 마틴블레이저 박사의 경우 미생물 군집이 만성 염증성 피부병인 건선의 발병과 연관이 있다고 본다.

가벼운 건선 환자인 그는 25년 전통풍 치료제 ‘알로 퓨리놀’을 먹어보라는 아버지의 권유를 받고 그렇게 했는데 실제로 증세가 호전되는 경험을 했다. 이후 그는 알로 퓨리놀이 박테리아의 DNA 합성을 방해해 박테리아를 사멸시키거나 성장을 막는다는 사실을 알게 됐다.

그리고 알로뉴 리놀과 미생물의 상관관계 연구에 본격 돌입했다. 연구초기 그는 수십 년 전 한 연구팀이 알로 퓨리놀의 건선 치료효과를 확인하는 임상시험을 실시했지만 명확한 결론을 도출시키지 못했다는 사실을 확인했다. 하지만 그는 적어도 특정 부류의 건선 환자들에게 알로 퓨리놀이 치료효과가 있을 것으로 판단했다.

그러던 중 지난 2002년 이를 검증할 연구 예산이 확보됐다. 당시 그는 건강한 사람 6명의 팔뚝 안쪽에 살고 있는 박테리아들을 조사한 뒤 건선 환자들의 그것과 비교했다.

그 차이는 명백했다. 건선 환자들에게서 페르미쿠테스(Firmicutes) 문(門)에 속하는 미생물들이 훨씬 많이 발견된 것. 반면 건강한 피부에서 가장 흔히 관찰되는 액티노박테리아(Actinobacteria)의 양은 현저히 적었다. 블레이저 박사는 “당시 이 결과는 중요한 성과로 받아들여졌지만 피실험 자 숫자가 너무 적었던 탓에 이제는 웃음거리로 치부되고 있다”고 밝혔다.

이를 만회하기 위해 그의 연구팀은 지금 HMP의 자금지원에 힘입어 서로 다른 건선 환자들을 대상으로 인체 미생물의 전체 개체수와 각 미생물 종들의 분포 상태 등을 면밀히 연구하고 있다.

제공: 파퓰러사이언스 |

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