안녕하세요? 저는 부산대학교 약학대학 약학과 미생물 연구실 교수 이준희 입니다. 저희 랩 홈페이지를 방문해 주셔서 감사합니다. 여기서는 저희가 하고 있는 일에 대한 간략한 배경 지식과 의의, 내용에 대해서 설명하고자 합니다.
지구상의 생명체들이 생명활동을 영위함에 있어서 개체간의 신호 전달은 매우 중요한 과제입니다. 스스로 가장 고등한 생물이라고 자부하고 있는 사람의 경우 수많은 언어, 신호, 상징 체계를 발전시켜왔습니다. 그것을 통하여 사람들은 개체 상호간에 의사를 소통할 수 있게 되었고, 그를 통해 집단적으로 통일된 행동 양식을 보여줄 수 있었습니다. 우리가 흔히 사회, 혹은 사회활동이라고 부르는 이런 집단 행동은 개인 행동에 비해 매우 효율적이며 생산적이어서, 기나긴 진화 과정 속에서 인간을 가장 강력한 생물집단으로 만들어 줄 수 있었습니다. 마찬가지로 자연계에서는 보다 발달된 의사소통을 구사하는 생물집단일수록 보다 강력한 생존력과 생산력을 보여주는 사례를 쉽게 찾아 볼 수 있습니다. 사람들은 언어, 상징, 신호를 통해 의사를 소통하지만, 언어가 발달하지 않은 동물들도 소리, 배설물, 냄새 등 다양한 방법으로 의사를 소통합니다.
이런 개체간의 의사소통은 꼭 고등 동물에만 있는 것이 아니라, 식물에도 있고, 곤충이나 곰팡이 같은 작은 생물에도 있고, 심지어는 한 생명체를 구성하는 각각의 세포들에게도 있습니다. 이들은 사람이나 동물과는 다른 방식으로 감각기관이 발달했기 때문에 의사소통도 다르게 할 것입니다. 일반적으로 구조가 단순한 생물일수록 감각기관의 종류도 제한되기 때문에 물리적인 신호의 사용이 제한됩니다. 대신 화학적 신호의 사용이 늘어나게 됩니다. 요즘은 화장품 광고에도 흔히 등장하는 페로몬이라는 것이 대표적인 것으로, 주로 식물이나 곤충에 의해 사용되는 화학신호물질입니다. 다세포 생물을 구성하는 개개의 세포들이 서로간에 신호를 전달하기 위해서 사용하는 화학 물질을 보통 호르몬이라고 부릅니다. 사람이 언어를 사용하여 집단적인 행동양식인 사회활동을 영위하는 것처럼 이들 화학신호들도 개체간에, 혹은 세포간에 집단적인, 혹은 조직적인 행동을 가능하게 합니다.
생물학의 발전은 지난 이십 여 년간 이러한 신호전달체계가 박테리아와 같은 미생물에도 존재한다는 사실을 밝혀내었습니다. 미생물들은 특정 화학물질을 이용하여 주변에 있는 다른 미생물에 신호를 전달하고 그들의 생리를 변화시킬 수 있습니다. 이러한 신호전달 시스템은 특히 단세포이면서도 집단 행동을 하는 박테리아에서 많이 연구가 되었습니다. 대표적으로 특정 숙주생물에 기생, 혹은 공생하면서 특별한 군집을 구성하는 미생물의 경우나, 생장 단계에 따라 생물막 (biofilm), 포자낭 (sporangium)과 같은 특수 구조를 형성하는 미생물의 경우, 환경변화에 따라 특이한 신호물질을 분비하고, 모두가 일사 분란하게 필요한 생리적 변화를 보여주게 됩니다. 요즘은 이것을 사회 미생물학 (Sociomicrobiology; Social microbiology)이라는 용어를 써서 지칭하기도 합니다.
이러한 집단 행동은 때로는 강력한 힘을 발휘합니다. 콜레라와 패혈증을 일으키는 Vibrio Cholerae, Vibrio haemolyticus 같은 경우는 숙주인 사람 몸에 침입한 후, 일정정도의 세포 밀도 (cell density)에 도달하면 생리가 급속도로 바뀝니다. 각종 Virulence factor들을 합성하여 숙주를 죽이게 됩니다. Cystic Fibrosis 를 일으키는 Pseudomonas aeruginosa의 경우 사람의 기도 (air way)에 들어오면, 다양한 세포외 다중체 (exopolymer)를 순간적으로 생산, 분비하여, 이를 통해 기도 벽에 일시에 달라 붙어 집단체인 biofilm을 형성합니다. 이는 여러가지 항생제에 높은 저항성을 가지기 때문에 치료를 어렵게 합니다. 병원성은 없지만 발광 오징어에 기생하는 Vibrio fischeri의 경우, 발광기관에 감염하여 일정 정도 이상의 세포밀도가 되면 일시에 생리가 변하여 빛을 내게 됩니다. 실제로 이 Vibrio fischeri가 미생물 신호전달에 관해 가장 먼저 분자생물학적으로 연구되었고, 처음에는 세포밀도를 인지하는 기작, Quorum Sensing Mechanism (정족수 인지 기전)이라 불리게 되었습니다. 이 용어는 지금도 널리 쓰이고 있습니다.
대부분의 미생물에서 이 Quorum Sensing의 분자적 기전은 공통된 두 가지 인자에 의해 일어납니다. 신호 합성 유전자와 그로부터 합성되는 신호물질, 그리고 그 신호를 인지하고 다양한 물질의 합성을 가능하게 하는 조절 단백질이 그것입니다. 그람 양성균 (gram (+))의 경우 주로 단백질 (peptide)계 신호물질을 사용하는데, 이를 페로몬이라고 부르기도 합니다. 이를 인지하는 단백질은 보통 막에 존재하는 two component system입니다. 그람 음성균 (gram (-))은 보통 아실기 (acyl-)를 가지는 호모 세린 락톤 (Homoserine lactone) 계열의 신호물질을 사용합니다. 이들 신호를 인지하는 수용체 조절 단백질 (Receptor regulator)로는 보통 LuxR 계열의 단백질이 관여하게 됩니다.
이부분의 연구는 주로 두가지로 나뉘게 됩니다. 첫째는 세포 내부적으로 이들 신호물질과 신호 수용 단백질이 관련된 신호전달 (signal transduction)과정을 분자생물학적으로 분석하는 일이고, 둘째는 이런 신호전달과정의 결과로, 세포가 결국 외부적으로 어떤 변화된 생리적 결과를 보여주는가 하는 것입니다. 전자는 순수 자연과학을 연구하는 그룹에 의해 주도되는 것으로 현재 분자 생물학 분야에서는 큰 관심을 끌고 있는 Hot issue중의 하나라고 할 수 있습니다. 후자는 주로 이런 신호전달체계가 병원성 미생물들에게서 연구되었기 때문에 임상적으로 이 기전이 얼마나 중요한가, 또는 이를 타겟으로 하여 어떤 치료제를 개발할 수 있는가, 그리고 이러한 신호전달 체계가 미생물로 하여금 동시적, 집단적 생리활성을 유도하기 때문에, 특정 산물을 순간적으로 과량 생산하는데 어떻게 이용할 것인가 하는 응용분야에서 많은 관심을 가지고 연구되고 있습니다.
저희 랩에서는 앞서서 말씀드린 두 가지 부분을 모두 연구하고 있습니다. 주로 신호전달과정의 분자생물학적인 기전은 대표적 감염 세균인 Pseudomonas aeruginosa에서 연구를 진행하고 있으며, 신호전달의 결과로 나타나는 생리기전으로는 다양한 균주에서 항생제 내성을 부여하는 biofilm 형성과정을 모델 시스템으로 연구를 하고 있습니다.