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인하대(총장·조명우)는 세균을 숙주로 삼아 기생하는 바이러스인 ‘박테리오파지(파지)’에서 항생제를 무력화시키는 새로운 항생제 내성 유전자가 밝혀졌다고 8일 밝혔다.
인하대 생명과학과 조장천 교수(교신저자)와 문기라 박사(제 1저자)가 주도한 이 연구를 통해 환경에 존재하는 파지가 새로운 항생제 내성 유전자의 전파 매개체가 될 수 있음이 확인되었다. 이 연구결과는 슈퍼박테리아와 같은 항생제 내성 세균 뿐 아니라 세균에 기생하는 파지에 대한 모니터링 필요성에 대한 논의의 물꼬가 될 것으로 기대된다.
연구팀은 한강에 존재하는 미지의 바이러스에서 새로운 염기서열을 가진 항생제 내성의 원인이 되는 유전자를 동정, 한강 바이롬 베타락탐 분해효소(HRV) 등으로 명명했다. 이 유전자는 기존 슈퍼박테리아에서 발견되는 베타락탐 분해효소 유전자와 분해활성을 나타내는 핵심서열은 동일하지만 나머지 부분의 연관관계가 매우 낮은 새로운 분해효소여서 한강바이러스효소를 뜻하는 새로운 이름을 붙였다.
연구팀은 한강 표층수를 채취, 세균을 제거하고 바이러스만 농축했다. 핵산 추출을 통해 130만개의 염기서열 조각을 얻었고 이 가운데 4개의 베타락탐 분해효소 유전자를 비롯한 25개의 항생제 내성 유전자를 찾아냈다. 4개의 파지 유래 유전자가 실제 유효한 분해효소를 만드는지 대장균에서 해당 유전자를 발현하였더니, 카바페넴 항생제 등 여러 베타락탐계 항생제에 내성을 보여 파지에 존재하는 광범위 베타락탐 분해효소임을 확인하였다.
페니실린, 카바페넴 등 널리 쓰이는 베타락탐계 항생제에 살아남는 세균은 항생제 내성유전자의 하나인 베타락탐 분해효소 유전자를 가져 항생제의 베타락탐 고리를 분해, 항생제를 무력화한다. 세균은 수평이동을 통해 다른 세균으로부터 항생제 내성 유전자를 얻는 것으로 알려져 있었고, 환경에 존재하는 일부 바이러스에서 이러한 항생제 내성 유전자가 보고된 적은 있지만 실제 베타락탐 분해활성을 가진 기능성 유전자는 아니었다.
연구팀은 숙주세균의 배양이 어려워 파지를 분리, 배양하기 어려운 만큼, 환경 내에 있는 바이러스 유전체의 서열을 대용량으로 확보하고 항생제 내성 유전자의 활성 확인을 통해 환경 바이러스 중에서는 최초로 활성이 있는 항생제 내성 유전자를 발견한 것이다.
조장천 교수는 “이 항생제 내성 유전자가 실제 병원성 세균에 전달될 수 있는지 숙주세균에 대한 추가 연구가 필요하다”면서 “이번 연구는 환경에 존재하는 파지에 새로운 항생제 내성 유전자가 존재하고 전파가능성을 배제할 수 없을 만큼, 항생제 내성 유전자 이동을 추적하기 위해 파지 유전체에 대해 모니터링할 필요가 있다”고 설명했다.
이 같은 내용이 담긴 논문 성과는 지난 6월 1일 국제학술지 마이크로바이옴(Microbiome; IF 10.465)에 동영상(링크)과 더불어 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업과 환경부 환경과학기술개발 사업의 지원을 받아 진행됐다.
* 용어설명*
1. 박테리오파지(bacteriophage): 세균을 숙주세포로 하여 기생하는 바이러스를 통칭하며 줄여서 파지라고도 한다. 한마디로, 세균에 감염하는 바이러스다.
2. 항생제 내성 유전자(antibiotic resistance gene): 세균이 항생제에 저항하여 살아남을 수 있는 약물저항성을 가진 유전자로서 항생제가 듣지 않는 병원성세균 출현의 원인이 된다.
3. 베타락탐계 항생제(beta-lactam antibiotics): 베타락탐 고리를 가진 항생제로서 인류가 최초로 발견한 페니실린 등이 이에 속한다. 페니실린계, 세팔로스포린계, 모노박탐계, 카바페넴계 항생제가 여기에 속한다.
4. 베타락탐 분해효소(beta-lactamase): 베타락탐 고리를 가지는 베타락탐 항생제를 분해하여 항균능력을 제거하는 효소
5. 바이롬(virome): 특정 환경에 존재하는 바이러스 유전자 전체를 가리키는 용어이며, 바이러스 메타유전체(virus metagenome)도 같은 뜻으로 사용된다. 환경에서 바이러스만 분리하여 차세대 서열분석법을 사용하여 대용량을 분석이 가능하다.
온기동 글로벌이코노믹 기자 16990@g-enews.com
