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미생물이야기 새로운 변종이 발생하는 원인과 병원성 세균이 진화하는 메커니즘을 세계 최초로 규명하였다.
2013-08-16 10:16:49
이엠생명과학연구원

서울대학교 생명과학부 천종식 교수팀과 국제백신연구소 김동욱 박사팀은 미국 메릴랜드대학교 연구팀 등과 공동으로 콜레라 세균 유전체 23종을 분석하여, 새로운 변종이 발생하는 원인과 병원성 세균이 진화하는 메커니즘을 세계 최초로 규명하였다. 

이번 국제공동연구는 지금까지 발표된 미생물 유전체 연구 중 최대 규모로, 미국 메릴랜드대학교와 미국 에너지부 유전체연구소가 콜레라 세균(비브리오 콜레라)의 유전체 염기서열을 해독하고, 서울대 천종식 교수팀과 국제백신연구소 연구팀이 생물정보학적 방법으로 비교 분석하였다. 

이 연구를 주도한 천종식 교수는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 ‘중견연구자지원사업 도약연구 [(옛)국가지정연구실(National Research Lab)]'의 지원을 받아 수행하였다. 

이번 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학저널인 미국학술원회보(PNAS : Proceedings of National Academy of Sciences, USA) 이번 주 인터넷판에 게재되었다.

콜레라는 세균의 일종인 비브리오 콜레라(Vibrio cholerae)에 의해 발생하는 설사병으로, 적시에 치료 받지 않을 경우, 빠르면 18시간 만에 사망에 이를 수 있는 치명적인 전염병이다. 세계보건기구(WHO)에 따르면, 2007년에 53개국 17만 명 이상이 콜레라에 감염되었고, 4,031명이 사망하였다. 그러나 통계에 누락된 사례까지 포함하면, 실제 발병상황은 훨씬 심각하여, 매년 12만 명 이상이 사망하는 것으로 추정되고 있다. 

우리나라에서도 지구 온난화와 바닷물 온도 상승으로 콜레라의 발생 가능성이 점점 높아져, 제1군 법정 전염병으로 분류하여 엄격히 관리하고 있으며, 미국에서도 생물테러 2등급(Category B) 병원균으로 지정하고 있다.

이번 연구를 수행한 한국, 미국, 인도의 국제공동연구팀은 1910년부터 현재까지 전 세계로부터 수집한 콜레라 세균 유전체 23종을 모두 해독하고, 이를 최신의 생물정보학적 방법으로 비교 분석하였다. 그 결과, 연구팀은 6번째 대유행이 끝나고, 7번째 대유행이 시작한 시점에서 새로운 종류의 세균으로 원인 세균이 바뀌었지만, 현재 진행 중인 7번째 대유행 기간에 나타난 후 사라졌거나, 새롭게 나타나고 있는 여러 변종들은 모두 하나의 조상으로부터 최근에 진화한 아주 가까운 형제라는 사실을 밝혀냈다.

콜레라는 약 2만 년 전부터 인간에게 질병을 일으킨 것으로 알려져 있고, 19세기 이후, 전 세계적인 대유행은 지금까지 7번으로 기록되었다. 6번째 대유행(1899-1923년)은 콜레라 세균의 일종인 혈청형 O1 클래식 형(Classical biotype)에 의해 발생했고, 현재까지 진행 중인 7번째 대유행(1965년 인도네시아에서 시작)은 혈청형 O1 엘 토르 형(El Tor biotype)에 의한 것으로, 최근 30년간 클래식 형은 발견되지 않고 있다. 1992년에는 인도의 벵갈(Bengal)만 지역에서 완전히 새로운 혈청형인 O139가 발생하였고, 최근 아프리카 남부를 휩쓸고 있는 대유행은 O1 클래식 형과 O1 엘 토르 형의 성질을 모두 보이는 잡종형(Hybrid)에 의한 것으로 알려졌다. 이렇듯 새로운 변종 콜레라 세균이 지속적으로 발생하여, 세계보건기구(WHO)나 국제백신연구소 및 각국 정부는 콜레라 퇴치에 어려움을 겪고 있다.

또한 연구팀은 수년마다 나타나는 새로운 변종 세균이 세균을 감염시키는 바이러스인 ‘박테리오파지’에 의해 발생한다고 결론을 내렸다. 아울러 설사를 일으키는 주범인 콜레라 독소를 비롯하여 결정적으로 발병 역할을 하는 상당수 유전자들이 바이러스에 의해 세균 사이를 이동하고 있다는 사실도 밝혀냈다.

인간과 달리 세균은 필요한 유전자를 서로 주고받을 수 있다. 연구팀은 이렇게 세균 사이에서 이동하는 유전자 집단 70여개를 새롭게 찾아냈고, 이들이 서로 다른 조합으로 몸 안에서 생성됨에 따라, 새로운 변종 세균이 발생함을 밝혔다. 이와 같은 병원성 세균의 진화 메커니즘의 규명으로, 향후 발생할 수 있는 새로운 변종에 대해 신속히 대응하고, 백신과 치료제를 효과적으로 개발할 수 있는 기반을 마련하게 되었다.

나아가 연구팀은 이번 연구를 통해 23종의 콜레라 세균으로부터 유전자 6천개를 새롭게 발견했다. 연구팀은 실제로 자연계에 존재하는 콜레라 세균이 보유하고 있는 전체 유전자 수는 수십만 개 이상에 이를 것으로 보고 있으며, 이로 인해 언제든지 새롭고 더 강력한 병원성 또는 전염성을 지닌 변종이 발생할 수 있다고 예측하였다. 

지금까지 발표된 미생물 유전체 연구 중에서 가장 큰 규모로 진행된 이번 콜레라 세균 연구는 ▲탄저균, ▲이질, ▲장티푸스, ▲헬리코박터, ▲폐렴구균 등의 다른 병원성 세균의 변종 발생 메커니즘을 규명하는데 필요한 중요한 단서를 제공하였다. 또한 이번 연구를 통해 구축된 유전체 DB를 활용하면, 우리나라를 포함한 전 세계에서 발생할 수 있는 새로운 변종 세균을 48시간 이내 유전체 분석을 통해 진단할 수 있다. 정확한 진단은 치료제나 백신을 적절히 선택하는데 반드시 필요하다.

이번 연구를 주도한 천종식 교수는 “이번 연구가 변이가 많아 효과적인 대응이 어려웠던 질병인 콜레라 원인균의 진화 메커니즘을 밝혀, 앞으로 발생할 새로운 변종에 대비하고, 정확한 진단과 백신 개발에 반드시 필요한 과학적 토대와 이정표를 제시하였다. 또한 지구 온난화로 인해 우리나라에서도 콜레라의 발생 가능성이 점차 높아지고 있는 시점에서, 주요한 전염성 병원균의 유전체 DB를 우리나라가 주도적으로 확보하여 국가적인 위기 사태에 적절히 대응할 수 있는 기반을 마련하였다”고 연구 의의를 설명하였다.


인간에게 치명적인 설사병을 일으키는 전염병인 콜레라를 일으키는 콜레라 세균, 비브리오 콜레라(Vibrio cholerae)의 전자현미경 사진


두 개의 염색체로 되어 있는 콜레라 세균의 유전체와 본 연구에서 발견된 70여개의 이동 유전자群의 위치 및 크기. 변종은 서로 다른 유전자 조합으로 이루어져 있고, 본 연구의 결과에 따르면, 새로운 변종의 출현은 세균에 감염하는 바이러스인 박테리오파지를 통해 가능한 것으로 추정된다.


콜레라 세균이 주로 서식하는 것으로 알려진 동물성 플랑크톤의 일종인 코페포드(Copepod). 최근 연구에 따르면 이 플랑크톤의 표면에 많은 콜레라 세균 모여 살면서 서로 유전자를 주고받는 것으로 밝혀졌다.

정보출처 : BRIC 바이오통신원



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