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2021 September Vol.34 No.3 ISSN 1598-8384

자유기고

사진
병원성 비브리오균과 바이오필름

한국생명공학연구원
황승호 박사 E-mail : sulfoh2@kribb.re.kr



병원성 비브리오균의 바이오필름 형성

비브리오(Vibrio)속에 속하는 다양한 비브리오균은 그람 음성의 간균이며 담수와 해수 환경에서 쉽게 발견할 수 있다. 비브리오균은 공통적으로 유전적 재조합 및 수평적 유전자 이동(horizontal gene transfer)을 통해 구성된 2개의 염색체를 지니고 있으며, 해양 환경 및 수산 식품에 의해 발생하는 감염 질환의 상당수를 야기하는 주요 병원균으로 알려져 있다 (1). 병원성 비브리오균 중 콜레라균(Vibrio cholerae)은 오염된 식수를 통해 인체에 감염되어 급성 설사 질환인 콜레라를 일으키는 것으로 유명하다. 콜레라균이 인체를 감염하기 위해서는 바이오필름의 형성이 중요한 것으로 알려져 있는데, 바이오필름은 매트릭스에 둘러 쌓인 세포들의 공동체이며 다양한 외부 스트레스부터 세포들을 보호하여 변화하는 환경에 대한 세균의 적응력을 증가시킬 수 있다 (그림 1) (2). 콜레라가 빈번히 발생하는 연안의 담수로부터 지름 20 μm 이상의 큰 입자들을 제거하는 것만으로도 콜레라 발병이 48% 감소하며, 이는 콜레라균의 전파에 바이오필름이 중요한 역할을 하고 있음을 시사한다. 또한 부유 상태의 콜레라균에 비해 바이오필름 상태의 콜레라균이 더 높은 감염성을 나타내는 것으로 밝혀졌다 (3).



그림1
그림 1. 콜레라균 생활상에서의 바이오필름 형성 (참고문헌 2에서 발췌).


비브리오패혈증균(Vibrio vulnificus)은 이 세균에 오염된 수산물을 날 것 혹은 충분히 조리되지 않은 상태로 섭취하거나 피부의 상처가 세균에 노출되어 체내로 유입됨으로써 감염 질환을 일으킨다. 감염 시 구토, 설사, 복통 등의 증상을 나타내고 심한 경우 혈류 감염으로 인한 패혈성 쇼크로 사망에까지 이를 수 있어 만성 질환으로 인해 면역이 저하된 사람에게서 높은 치사율을 나타낸다 (4). 비브리오패혈증균 감염 사고를 일으키는 주된 원인 식품으로는 굴이 알려져 있으며, 비브리오패혈증균은 굴 표면과 내부에 부착하여 바이오필름을 형성함으로써 물리적 스트레스에 저항하며 생장할 수 있다 (5, 6). 또한 해양 환경에서 굴이 영양분 섭취를 위해 주변의 해수를 흡입할 때 지름이 5 μm 미만인 입자는 대부분 다시 배출되지만 해양 부유물에 부착해 바이오필름을 형성한 세균과 같이 지름이 5 μm 이상인 입자들은 굴 내부에 효과적으로 잔류하여 축적될 수 있다 (7). 따라서 비브리오패혈증균의 바이오필름 형성은 이 세균이 수산 식품을 통해 인체에 유입되어 감염을 일으키는 데에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다 (그림 2) (6).



그림2
그림 2. 비브리오패혈증균 생활상에서의 바이오필름 형성 (참고문헌 6에서 발췌).


비브리오패혈증균의 바이오필름 형성에 대한 분자수준 연구

비브리오패혈증균의 유전체 정보가 쉽게 활용 가능해짐에 따라 이 세균의 바이오필름 형성을 분자수준에서 이해하고 제어하기 위한 연구가 활발히 진행되었다. 바이오필름 형성은 순차적인 발달 단계에 따라 진행되는데, 먼저 표면에 부착한 세균이 생장하여 미세집락을 형성하고 이어서 다양한 고분자 물질을 생산하여 견고한 매트릭스를 갖춘 바이오필름을 형성한다. 충분히 성장한 바이오필름의 일부로부터 부유 세포 또는 세포 집합체가 떼어져 나오면 이는 새로운 표면에 도달하여 또다른 바이오필름 형성의 순환을 이어나가게 된다 (8).

바이오필름 형성은 세균 세포가 표면에 부착함으로써 시작되며, 여기에는 세균의 표면 부속물인 pili가 관여한다. 그 중 type VI pili(T4P)에 해당하는 pili는 그람 음성균에 널리 존재하며 바이오필름 형성 과정에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다 (9). 비브리오패혈증균 또한 T4P의 일종인 chitin-regulated competence (ChiRP) pili를 발현하는 pil locus, mannose-sensitive hemagglutinin (MSHA) pili를 발현하는 msh locus, 그리고 Iam pili를 발현하는 iam locus를 유전체 상에 지니고 있다 (6, 10). 이 중 iam locus의 발현은 전사조절자 IamR에 의해 활성화되며 이러한 조절은 외부의 칼슘 농도에 의존적인 것으로 밝혀졌다 (11).

발달된 바이오필름은 외부에 고분자 매트릭스를 갖추고 있으며 이는 주로 다당류인 exopolysaccharide (EPS)와 매트릭스 단백질 간의 상호작용을 통해 구성된다 (2). 비브리오패혈증균의 유전체 상에 존재하는 rbd locus, brp locus와 brpLG 유전자, 그리고 EPS-III locus는 서로 다른 EPS의 생성에 관여하고 있으며 (12-14), flaEFcabABC 유전자들은 매트릭스 단백질의 생성에 관여한다 (15, 16). 이 중 다수 유전자는 BrpR, BrpT, BrpS의 세 전사조절자가 이루는 네트워크에 의해 발현이 조절되며, BrpR이 가장 상위에서 이 네트워크를 활성화하는 역할을 하고 있다 (14, 17). 한편 EPS를 생성하는 세가지 loci의 발현은 전사조절자 NtrC와 DctD에 의해서도 활성화되며 (12, 18), rbd locus는 전사조절자 RbdG의 작용에 의해 발현되는 것으로 밝혀졌다 (13).

바이오필름을 형성한 세균이 다른 곳으로 전파되기 위해서는 성장한 바이오필름의 일부로부터 세균이 분리되어야 한다 (8). 비브리오패혈증균이 생성하는 단백질 분해효소 VvpE는 바이오필름을 구성하는 단백질 성분을 분해함으로써 세포의 분리를 촉진하며 (19), 캡슐 형성에 관여하는 다당류 capsular polysaccharide (CPS)는 세포 표면의 소수성을 감소시킴으로써 바이오필름의 성장을 억제한다 (20). 이러한 단백질 분해효소와 CPS의 발현은 모두 정족수 인식(quorum sensing) 전사조절자인 SmcR에 의해 활성화되는 것으로 밝혀졌다 (19, 20).

현재까지 다수의 연구를 통해 비브리오패혈증균의 바이오필름 형성에 중요한 유전인자 및 그 발현을 조절하는 네트워크들이 규명되었다 (그림 3). 이러한 요소들을 타겟으로 하여 분자수준에서 제어하고자 하는 전략은 비브리오패혈증균이 수산 식품을 오염시키는 데에 중요한 바이오필름의 형성을 억제함으로써 감염 사고를 예방하기 위해 활용될 수 있을 것이며, 세균의 생장 자체를 억제하는 기존 항생물질에 비해 내성 발생의 가능성도 현저히 낮을 것이다. 기존의 바이오필름 연구들은 유전인자 개별에 대한 동정과 특성 규명에 초점을 맞추어 진행되었다. 하지만 바이오필름은 다양한 유전인자들의 발현이 함께 조율되어 나타나는 집합적인 생활양식이며, 다수의 네트워크를 서로 연결하는 통합적인 조절 체계에 대한 지식은 아직 부족한 상황이다. 바이오필름 형성은 외부 환경의 변화에 대응하는 세균의 주요 생존전략인만큼, 비브리오패혈증균을 비롯한 병원성 비브리오균의 바이오필름 생활양식을 이해하는 것은 세균이 해양, 식품, 인체을 포함하는 다양한 외부환경과 상호작용하는 방식을 이해하기 위한 중요한 발판이 되어줄 것이다.



그림3
그림 3. 비브리오패혈증균의 바이오필름 형성에 관여하는 유전인자와 조절 네트워크.

참고문헌

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