"Biofilm formation and Bacterial social behavior"
바이오필름(biofilm) 이란?
바이오필름이란 다량체 기질 (polymeric matrix)속에 형성된 미생물들의 3차원적 구조물로써, 고체나 액체 표면 위에 수~수십 마이크로미터 두께의 막 형태로 형성되는 미생물들의 공동체 (microbial community)이다.
바이오필름의 중요성
감염 과정에서 병원균은 숙주의 상피세포, 뼈, 치아, 혈관내벽 등 감염 장소에 부착하여 바이오필름 형성하며, 이는 감염성 질병 발병 과정의 중요한 단계이다. 생체이외에서도 산업용 배관, 상하수도, 정수기, 공기 정화시설, 생활용품 등 미생물이 접근할 수 있는 모든 종류의 인공 시설물 등에 바이오필름 형성. 특히, 카테터 (catheter), 각종 삽입 보형물 (implant), 인공장기 같은 의, 치과 의료기구 등 에도 미생물들은 활발히 바이오필름을 형성한다. Planktonic life 미생물에 비해 바이오필름 미생물은 항생제, 소독제 등에 강한 저항력을 가지며, 인체의 면역세포의 공격이나 물리적 세척에 대해서도 강한 내성을 가진다. 또한 바이오필름속의 병원균은 특정 항생제에 대한 특이적 내성이 아닌 대부분의 항생제에 대한 보편적 내성을 보이게 된다.
바이오필름 형성과정
여러가지 바이오필름 형성 방법
Mediated by Self-producing materials
Mediated by environmental materials
Mediated by surface coating with self-producing materials
Mediated by surface coating with environmental materials
Attachment by flagella, pili, or cell wall surface, and then development to higher order biofilm
바이오필름의 인체 유해성과 경제적 손실
바이오필름은 생체 내에서는 만성 염증의 주된 원인으로, 전체 감염성 질환의 65% 이상이 바이오필름에 의한 것으로 추산되며, 인체 면역 시스템에 대한 강한 내성 때문에 바이오필름에 의한 감염은 치유가 잘되지 않고 흔히 만성 질환으로 발전한다. 또한 치아와 잇몸 표면의 바이오필름은 충치, 치은염, 치주염 등 구강 질환의 가장 큰 원인이다. 바이오필름의 가장 큰 특징인 다양한 항생제에 대한 보편적 내성은 항생제를 이용한 치료를 어렵게 하며, 인공관절, 콘택트 렌즈, 구강 보철, 임플란트, 카테터, 주사바늘, 내시경 등 모든 종류의 의,치과 기구에 형성되는 바이오필름은 이들의 사용과정에서 발생하는 감염의 가장 큰 원인이다. 그럼에도 불구하고 바이오필름의 소독제나 물리적 세척에 대한 강한 내성 때문에 완전한 제거가 극히 어려우며, 이들을 통한 병원 교차 감염 (Nosocomial infection)에서 매우 큰 문제를 야기한다. 바이오필름은 지속적으로 미생물을 방출하는 유해 미생물의 저장소로 공중 보건상 큰 문제 야기한다. 특히, 상수관망의 배관 표면이나 공기 순환 시스템에 형성된 바이오필름은 수돗물이나 공기의 2차 오염을 발생 시켜 맛, 냄새 문제를 일으킬 뿐만 아니라 각종 전염병의 원인이 된다.
본 연구실의 주요 연구 내용
바이오필름의 형성은 미생물들의 대표적인 사회적 행동 (social behavior) 혹은 집단 행동 (group activity)이며, 쿼럼 센싱에 대한 신호전달이 이러한 집단행동을 가능하게 하여 바이오필름 형성에 중요한 역할을 한다는 것이 많이 보고되어 왔다. 따라서 쿼럼 신호물질이나, 혹은 신호 전달과정을 제어, 교란, 변조함에 의해 바이오필름 형성을 유도 혹은 억제 할 수 있을 것이라는 가능성이 꾸준히 제기되어 왔으며, 본 연구실에서도 주로 그런 관점에서 연구를 진행하고 있다. 본 연구실에서는 쿼럼 센싱을 통한 세균의 세포간 신호전달과 이를 통한 미생물의 집단행동에 대한 연구에 대한 모델로써, 또한 실제 자연계에서 빈번히 일어날 것으로 예상되는 이종간 신호전달 연구를 위한 복합 군집 모델로써 바이오필름을 연구하고 있다. 또한 실제 감염에서 바이오필름이 어떤 영향을 주는지를 곤충과 선충을 이용한 모델 시스템을 이용하여 연구하고 있다.
실제로 바이오필름을 억제할 수 있는 방법을 도출하기 위해서 본 연구실이 시도하고 있는 접근법은, 1) 쿼럼 신호물질의 유사체를 이용하여 신호물질 수용체를 불활성화 시키는 방법, 2) 바이오필름 형성을 억제하고자 하는 고체 표면에 바이오필름 형성을 억제할 수 있는 특정 나노 구조 패턴을 구현하거나, 혹은 이러한 나노 구조 구현 기술을 이용하여 바이오필름을 억제할 수 있는 물리 화학적 특성을 구현하는 방법, 혹은 3) 바이오필름 형성이 저해되거나 증가된 돌연변이주를 탐색하여 그 돌연변이주의 유전학적, 생리적 특징을 분자생물학적으로 분석하는 방법 등을 사용하고 있으며, 특히 1) 과 2)의 방법을 위해서는 화학 생물 공학 분야의 전문 연구실과 공동연구를 수행하고 있다. 바이오필름을 통한 만성 감염 연구를 위해서는 감염 모델 시스템으로 Caenorhabditis elegans를 이용한 실험을 구축중에 있으며, 이는 본 연구실에서 사용하는 급성 감염 모델인 Tenebrio moliter 시스템과 함께 감염에 대한 다양한 정보를 제공해 줄 것이다.
앞으로의 바이오필름 연구에 대한 전망
이러한 연구는 감염질환 뿐만 아니라 바이오필름이 응용되는 공학 분야에서도 큰 관심을 가지는 주제임에도 불구하고, 아직 그 연구 수준이 국제적으로도 시작 단계 정도에 머물러 있기 때문에, 앞으로 그 연구의 규모가 계속 증대될 것으로 기대된다. 특히 다양성을 유지하려는 특성을 가진다는 것, 그러한 다양성이 군집 수준의 안정성, 생산력, 경쟁력을 부여한다는 것은 여러 곳에서 관찰이 되고 있다. 산업 미생물학적 관점에서는 유용산물의 생산이, 병원 미생물학적 관점에서는 감염력이, 생태학적 관점에서는 군집의 생존력과 안정성이 바로 '생산력'의 내용이 될 수 있기 때문이다. 따라서 복합군집에서 특이적으로 나타나는 생산력을 어떻게 모델링 하느냐 하는 것은 앞으로 여러 분야에서 필수적으로 필요로 하는 기초 연구가 될 것이다.