극한 미생물 이용하는 의학

[신천옹]

슈퍼 버그: 생존의 한계에 도전하다! - Deinococcus radiodurans

이화영(105235@hanmail.net), 장윤영(yy-jang@hanmail.net)

    우주 상에 지구가 생기고 엄청난 시간이 흐르면서 그 만큼 환경의 변화도 수없이 겪어 왔다. 이에 따라 지구상의 모든 종들도 살아남기 위해 나름대로의 생존방법을 이용하여 진화 혹은 멸종하여 오늘에 이르렀다. 공룡의 경우 백악기의 환경변화를 적응하지 못하여 멸종하였고 바퀴벌레의 경우 빠른 적응력으로 인해 지금까지 종족보존을 하며 현존해 있다는 것이 그 예이다. 그렇지만 이러한 오랜 기간 버텨온 바퀴벌레보다도 더 질긴 생명력을 가진 것이 있다면...

    여기 방사선이 너무 강해서 바퀴벌레가 죽음의 문턱을 넘나들고 있을 때, 그들의 시체 속에서 아무 일도 없는 듯이 행복하게 살고 있을 생명체가 있다. 20억 년이라는 긴 세월을 거쳐오며 그것도 모든 생명체에 있어 최악의 조건인 방사선 속에서도 꿋꿋이 살아가고 있는 미생물로서, 일명 "슈퍼 버그(super bug)" 라 불리 우는 Deinococcus radiodurans로 방사선에 견디는 특이한 작은 벌레라는 뜻을 지닌다.

    D. radiodurans의 라마의 변이나 상한 음식과 텅 빈 남극의 바위로부터의 초라한 시작은 기네스북에서 "world's toughest bacterium (세계에서 가장 견고한 박테리아)"란 명칭으로 엄청난 지위를 얻게 되면서 회복하게 되었다. 더군다나 이것의 유전자를 조작하여 핵폐기물의 독소를 정화할 수 있다는 사실이 밝혀짐에 따라 많은 과학자들의 관심과 사랑을 받으며 연구대상 1호가 되었다.

그림1. Deinococcus radiodurans (www.space.com/cgi-bin/click)

D. radiodurans의 발견

    음식을 보호하는 수단의 하나로 방사능 테스트를 하였던 1950년대, 과학자들은 처음으로 강한 방사능 하에서 파괴되었던 DAN를 약 하루만에 회복하는 벌레를 분리한다(by Battista's Lab of Louisiana State University) . 몇몇의 고기 통조림에 강한 방사능을 조사하여 관찰해본 결과, 여전히 음식이 썩고 있었으나 그 속에서 다른 미생물들은 완전히 파괴될 만큼의 방사능에도 아랑곳하지 않고 살아있는 그때 당시로는 밝혀지지 않은 미생물이 발견된 것이다. 그 후에도, 이 붉은 구형의 박테리아는 화성의 표면과 가장 유사한 환경인 지구의 남극의 드라이 벨리(Dry Valleys)의 바위 표면, 세슘의 과포화로 인하여 다른 생물은 전혀 존재할 수 없는 연못, 혹은 자외선이 강한 북극의 바위 속 등의 보통의 사람으로서는 생각지도 못할 그런 이상한 장소에서 많이 발견되어 많은 이의 관심을 끌게 된다.

D. radiodurans란 어떤 세균인가?

그림2. D. radiodurans를nutrient agar plate에서 키운 모습.붉은 색을 뛴다.
(www.science.nasa.gov/newhome
headlines)

    Deinococcus는 그람(Gram) 양성균으로 분류되어 있다. 하지만 다른 그람 양성균과는 달리 그람 음성균에 존재하는 외막(outer membrane)을 가지며, 이 때 큰 차이점은 여느 그람 음성균의 외막에 존재하는 헵토스 (heptose)와 A층을 가지지 않는다는 것이다. 하지만 이 외막의 역할에 대해서는 아직 밝혀진 깃이 없다. 하지만 가장 큰 특징이자 자랑거리는 Deinococcus의 모든 종이 방사선, 자외선, 과산화수소 등에 대하여 극도의 저항성을 가진 다는 것이다. 여기서 잠시 방사능에 대해 알아보자. 방사능은 모든 생명체가 살아가는데 치명적이며 이는 DNA가닥(strands)의 유전물질을 파괴되기 때문이다. 절단이라는 임시 방편으로 수리 기작(repair system)이 작동되기는 하지만, 생명체의 유전 지도의 해석은 보통 세포 분열을 할 때 사실적이고 치명적인 변이를 일으킨다. 즉 많은 양의 방사선은 수리하기 가장 어려운 유전 손상인, DNA 분자의 이중나선을 파괴한다.

Deinococcus의 능력에 대한 과학자들의 관심

    Deinococcus의 방사능저항력에 가장 먼저 관심을 보인 것은 미국 에너지성(DOE: Department of Energy)이었다. Deinococcus의 유전자를 조작하여 미생물을 이용하여 방사능 물질을 포함하는 전 세계에 걸쳐있는 핵폐기물로 오염된 대지의 수천 개의 독소를 제거할 수 있을 거라 생각한 것이다

    이에 DOE는 델리(Daly)와 민튼[Minton(University of Minnesota in St, Paul)]에게 공채로 투자했고, 이 연구팀 D. radiodurans의 생체치료를 조사하는 시애틀의 리트스트론[Mary E. Lidstrom (University of Washington)] 에 의해 주도되었다. 이 노력의 첫 번째 성과는 Nature Biotechnology의 10월호에 와케트(Lawrence P. Wackett)와 랜지(Cleston C. Lange)와 함께 델리와 민튼은 박테리아가 시간마다 6000rads를 일정한 방사능을 조사를 제시하는 동안조차도 톨루엔이나 그에 관계된 구성물질에서 자랄 수 있고 부분적인 대사작용을 일으킬 수 있다고 발표하였다.

    그리고 그 뒤를 이어 Deinococcus를 유전 공학적인 방법으로 조작해서 방사능 오염 지역 (radioactive waste sites) 에서 일반적으로 발견되는 오염 물질(pollutants)을 제거할 수 있다는 연구결과가 재차 발표 - 미국 미네소타대학(Univ. of Minnesota)의 생화학자인 레리 와케트 (Larry Wackett) 가 이끄는 연구팀에 의해 수행; Nature Biotechnology 1998년 10월호 - 됨에 따라 미국 에너지성 은 엄청난 핵폐기물 처리비용을 절감하기 위해 Deinococcus 박테리아의 유전자 연구에 자금을 지원하기 시작하였다. 따라서 '환경문제를 해결하고 새로운 에너지원을 발견하며 산업, 의학, 농업 등에 유용한 지식 및 기술을 개발할 수 있는 가능성을 확보'란 취지 하에 가장 강한 저항성을 가졌고 -DNA가 수백 개의 단편으로 파괴되어도 생존하고 수리할 수 있다- 유전자 조작이 가장 용이한 D. radiodurans를 연구 재료로 채택, 미국 에너지성의 지원 하에 미국 유전체 연구소(The Institute for Genomic Research)에서 Makarova, K.S. Aravind, L. 1Daly, M.J. and Koonin, E.V.에 의해 연구되었다. 게놈분석을 수행하여 완벽한 염기서열이 밝혀졌으며, 1999년 11월 19일에는 그 결과가 사이언스(Science) 잡지에 발표되었다.

D. radiodurans의 방사선에 대한 내성은 어느 정도인가?

    최근의 한 실험을 통하여 D. radiodurans가 파괴되는 시점의 방사능 양이 얼마인지를 밝혀졌다. 그 양은 사람에게 치명적인 양인 500~1000 라드(rad)보다 3000배나 높은 150만 rad (1그램에 100 에르그의 흡수에너지를 가지는 방사능의 단위)에서 살아 갈 수 있다. 더욱 놀라운 것은 그런 방사능 조사로 인한 거대한 염색체(chromosome)의 파괴를 단시간에 완벽하게 수리 할 수 있다는 것이다.

    그림3은 D. radiodurans의 방사선에 대한 저항성을 장내세균인 대장균(Escherichia coli), 바퀴벌레(cockroaches), 그리고 인간을 비교한 것이다. 포자를 형성하는 박테리아는 포자 덕분에 많은 방사능 하에서 견딜 수 있다 하지만 포자를 형성하지도 않는 D. radiodurans 보다 강하지는 못하다. 과학자들은 이 엄청난 양의 방사능에 대한 저항성은 가혹한 건조 상태 하에서의 D. radiodurans의 생존에도 영향을 끼칠 것으로 추측한다.

그림3. Nature Biotechnology 18, 85-90 (January 2000)]

왜 이런 능력을 가지게 되었을까?

   DNA 손상되었을 때 가장 고치기 어려운 부분이 이중나선을 고치는 일이다. 예를 들어 가장 많이 연구된 박테리아인 E. coli의 경우만 하더라도 보통 2~3개의 이중나선만 부서지게 되면 더 이상의 살아가는 것이 불가능하다. 그러나 짧은 시간 내에서 D. radiodurans는 완전히 부서진 DNA도 원래의 모습인 이중나선으로 고치고, 마지막엔 부서졌던 게놈을 완벽하게 복구함으로서 목숨을 이어갈 수 있었던 것이다. 즉, 방사능에 견디는 것이 아니라 파괴된 유전자의 완벽한 수리능력을 가진 것이다.

    그렇다면 도대체 진화과정에 어떠한 일을 겪었기에 D. radiodurans가 이렇게 정확한 수리능력을 가질 수 있었을까? "극한미생물(Extremophile)"이라는 다른 미생물의 경우, 극한 온도, 독소, 산성 같은 상황 하 에서 저항성을 가지는 것으로 발견되었다. 그러나 그것들은 특별한 환경에서 생존하기 위한 수단으로서 이러한 능력을 가지는 것으로 밝혀졌다. 하지만 지구상의 어떤 자연적인 환경에서도 1500만 라드의 높은 방사능이 발견되는 지역은 없다. 우라늄 퇴적물이 있는 지하에서도 발견되지 않는다. 그렇다면 왜 D. radiodurans가 이런 거대한 유전적인 파괴 하에서 수리 능력을 지닌 것일까?

    현재로서는 건조에 대한 혹은 열에 대한 내성의 한 방법으로 이러한 수리 능력이 생긴 것으로 보는 이론이 가장 유력하다. 즉 건조한 환경에 의해 혹은 고온에 의한  DNA 의 파괴와 방사능 하에서와 DNA 의 이중나선의 파괴가 같다는 전제하에 D. radiodurans가 생존을 위해 DNA 이중 나선에 대한 빠른 복구능력을 가지게 된 것이라는 이론이 지배적이다.
 

그림4. photos provided by David Schwartz (University of Wisconsin, Madison) 위에 그림은 방사능을 높은 양으로 조사한 D.radiodurans로부터 추출한 DNA의 단편들을 묘사한다. 아래의 그림은 몇시간후 repair된 DNA 분자로써 손상되지 않은 것이다. Nature Biotechnology 18, 85-90 (January 2000)

D. radiodurans 유전체의 연구

    D. radiodurans는 게놈 산탄법(random whole-genome shotgun) 방법으로 염기서열의 비밀을 풀게 되었다. 결과 이 박테리아의 유전체는 모두 4개의 요소 즉, chromosome Ⅰ[12,68,638 base pair (bp) ], chromosomeⅡ(412,348 bp), megaplasmid (177,466 bp) 와  plsmid (45,704 bp) 로 구성되어 있는 것으로 밝혀졌다.

molecule	length	average ORF length(bp)	protein coding regions	GC content	repeat - content
chromosomeⅠ	2,648,638	913	90.8%	67.0%	1.8%
chromosome Ⅱ	412,348	1,044	93.5%	66.7%	1.4%
megaplasmid	177,499	1,100	90.4%	63.2%	9.2%
plasmid	45,704	928	80.9%	56.1%	13.0%
All	3,284,156	937	90.9%	66.6%	3.8%

표. D. radiodurans 의 일반적인 특징(www.sciencenmag.org)

    일반적으로 박테리아는 1개의 염색체를 가지는데 반해 D. radiodurans는 아미노산을 이용하는 유전자와 세포막을 형성하는 유전자를 염색체Ⅱ가 인코드(encode)한다. 즉 Deinococcus의 능력 하나를 더 가지고 있는 셈이다.

    대부분의 경우 DNA 의 이중나선구조가 파괴되었을 때  몇 개의 염색체 단편을 연결하는 단일가닥 어닐링(single-strand annealing) 이나 상동성 재결합(homologous recombination)의 방법을 이용하는데 이 때 RecA 라는 단백질을 사용하며 D. radiodurans도 이 방법을 이용한다. 하지만 둘 다 D.radiodurans에만 유일한 것은 아니며 이것으로 D. radiodurans의 저항성을 설명하기에는 불충분하다. 또한 미생물의 유전자의 과잉으로 이러한 저항성을 현상을 설명할 수 없다. D. radiodurans 게놈에 나타나는 4~10 copy는 다른 박테리아에서도 존재한다. 이 고쳐진 복사체들은 돌연변이 유전자는 손상되지 않은 상반되는 유전자를 가질 가능성의 증가를 의미하는 것이기 때문에 결정적이라고 할 수 있다. 즉 게놈의 복수의 카피가 있다는 사실만으로도 자체적으로는 그들이 왜 그렇게 높은 방사능 저항성을 가지는지에 대한 충분한 설명을 할 수는 없다.

    그렇다면 무엇이 이들의 방사능과 자외선에 대한 저항성을 설명할 수 있을까? 그것들은 대부분의 생명체가 할 수 없는 많은 유전 정보를 사용할 수 있는 능력을 지녔고 이것을 이용하여 많은 수리 기작의 이용으로 대단한 저항성을 띄게 되는 것이다. 즉 이 박테리아가 가지는 여러가지 대사작용 - 보호기작(prevention), 내성기작(tolerance), 수리기작(repair)-의 복합적인 작용 때문이다.

    먼저, D. radiodurans의 게놈 중에 보호기작에 관여하는 카탈라아제 (catalase) 와 SOD (대장균의 DPS와 유사)을 다른 Deinococcus 종보다 많이 가진다. 그리고 D. radiodurans의 저항성에 중요한 요소로 많은 DNA 수리 기작 시스템의 작용을 꼽을 수 있다. 한 예로서 1.75 Mrad의 방사능에 조사하여 이중나선을 갈기갈기 부수었을 때 24 시간 내에 재배열이나 돌연변이 없이 수리된다. 그리고 많은 양의 DNA 수리 기작에 관여하는 게놈을 가진다, 그리고 이것들은 핵산절단수리[nucleotide excision repair (1개의 UvrABCD system과 UVDE system)] 과 염기절단수리[base excision repair (9개의 DNA glycosylases와 apurinic-apyrimidine endonuclease)], 미스매치절단수리[mismatch excision repair (MutL와 MutS)], 여러 가지의 재결합수리[recombinational repair (RecA, RuvABC, SbcCD)]로 인코드 되어 있다. 일반적으로 대부분의 미생물들도 이와 기능적으로 유사한 수리 기작을 가지지만. 이 박테리아의 경우 아주 많은 양의 DNA 수리 유전자를 가짐으로서 빠른 복구능력을 지닐 수 있는 것이다. 특히 DNA의 이중나선이 부서졌을 때 DNA 반복염기들(repeat elements)이 게놈에 넓게 흩어져 있기 때문에 상동성 재결합 수리 가 가장 중요하다.

     D. radiodurans의 이중가닥 DNA가 부서지고 나서 수리과정에서 DNA 수리 빈도는 저해 단백질[inhibitory

protein (Irrl)]에 의해 결정된다. 이 단백질은 반복염기들에 결합하여 방사능 등에 노출된 후 소모되는 염색체의 수를 보호한다. 이것은 DNA가 파괴된 후 3시간 내에 최대로 증가하고 7시간동안 유지하다가 24시간 내에 사라진다.

    D. radiodurance의 염색체 Ⅱ와 메가플라스미드의 경우 이들의 2/3는 헤모글리신(hemolysins)을 도와주는 유전자를, 4/9는 외부의 단백질분해효소(proteases)를 인코드 하고 있으며, 여러 가지 기능을 가진다. 먼저 이것은 비탄수화물(noncabohydrate)를 가진 세포와 단백질을 생산을 위한 질소의 전구체로 사용되어 진다. 그리고 ABC 수송시스템(ABC transport systems)의 오폐론(operon)을 가지고, 세포의 에너지를 생산한다. 또한 D. radiodurance가 오랫동안 건조라는 위험한 상황에 노출되었을 때 염색체Ⅱ에서는 지방산을 분해하는 여러 가지 단백질을 생산하게 되고, 메가플라스미드는 포스포트랜스퍼레이즈 시스템(phosphotransferase system)을 작동하게 된다. 메가플라스미드의 경우 디옥시뉴클레오티드 트리포스패이 [deoxynucleotide triphosphates (dNTPs)]나 dNTP 전구체(dNTP precursors)의 합성으로부터 파괴된 DNA의 재생에 참여하는 것으로 추정되는 유전인자를 포함한다. 또한 이것은 외부세포인 핵과 높게 특정 짓거나, 즉시 방사선에 노출된 후 풀어지거나 반응하는 단일가닥 DNA나 RNA를 인코드 한다. 그리고 이것은 염색체Ⅱ에서 발견된 것으로 추정되는 퓨린 퍼미에이즈(purine permease)의 방법으로부터 투입할 것이다.

    D. radiodurans 게놈의 분해는 염색체Ⅱ와 메가플라스미드 에서 발견된 전사요소, 반응 조절인자와 키나제(kinase)를 포함하는 조절기능을 가지는 유전자에 인코드 된 단백질에 의해 전체 중 30%의 빈도로 나타난다. 하지만 아직 조절단백질의 규칙은 알려져 있지 않은 상태이다. 이렇게 전체 게놈의 분석이 끝났다고는 하지만 많은 부분이 아직 수수께끼로 남아 있으며 이에 부분 부분에 대한 연구가 계속 진행되고 있다.

D. radiodurans의 이용가치

D. radiodurans는 우선 앞에서도 밝혔듯이 환경오염 특히 방사선 구역의 정화작업에 가장 효과적으로 사용되어질 것이다 오늘날 세계 여러 곳이 고 방사능 물질과 독성 화학물질로 오염되어 있으며 폐쇄된 핵무기 공장과 핵무기 제조와 관련된 많은 핵폐기물 처리 장소 또한 많다. 이러한 지역을 정화하기 위하여 따라서 미국 조지아 대학(Univ. of Georgia)의 학자들은 D. radiodurans를 조작하여 톨루엔을 분해하거나 수은을 고정시켜서 다루기 쉬운 형태로 바꾸는 미생물을 개발하거나 D. radiodurans에 독성수은에 저항력이 강한 대장균 유전자를 삽입, 핵무기 생산기지에서 흔히 발견되는 독성수은을 해롭지 않은 형태로 전환시킬 수 있는‘슈퍼버그’를 만드는 등의 연구를 진행하고 있다. 그리고 이렇게 만들어진 미생물은 방사선 환경에서도 생존하게 되며 방사성 화학 물질의 생물적 분해(biodegradation)를 촉진시키고 다른 유기 용매(organic solvents)의 분해 속도를 촉진시킬 수 있다고 한다.

그림5. D. radiodurans 에 의해 먹히고 있는 핵폐기물들

    D. radiodurans는 암 치료에도 효과적으로 이용된다. 많은 세포들은 DNA가 외부자극으로 손상을 입으면 치료에 나서는데 이때 완전복구에 실패해 변종이 만들어지면 암으로 발전하는 경우가 대부분이다. 이에 암을 치료하기 위해 우수한 복원능력을 지닌 D. radiodurans의 DNA 수리 기작을 이용하여 암 치료 연구에 박차를 가하고 있다.

    한편 미국 항공우주국(NASA)와 메릴랜드대학 생물공학연구소(Univ. of Maryland Biotechnology Institute: UMBI)가 공동으로 외계 미생물 학설(alien microbe theory)을 검증하기 위해 몇몇의 미생물을 진공 상태 및 강한 태양 광선에 노출된 상태에서 우주 비행을 시켰는데 이중 몇몇의 미생물들이 죽지 않고 살아서 지구에 귀환한 것으로 전해졌다. [Discovery (www.discovery.com/news/briefs/20000731)], 그 중 D. radiodurans의 경우는 거의 상처를 입지 않았으며, 다른 미생물 종들은 우주 비행 후 생존비율이 상대적으로 극히 낮은 것으로 밝혀졌다. 이 놀라운 저항성은 과학자들이 박테리아나 그것과 유사한 다른 종들 중에서 행성간의 탐험 속에서 생존할 수 있는 능력을 지닌 유일한 생명체임을 추측할 수 있는 실마리를 주었다. 만약 이러한 D. radiodurans의 유전물질이 다른 미생물 내에서 이용되고 접합된다면, 이 미생물은 오랜 기간 우주 여행에 있어서 이상적인 음식과 음식 찌꺼기를 만들 수 있을 것이다. 이렇게 상상외로 많은 곳에서 이용이 가능한 D. radiodurans는 아직 많은 곳에서 연구가 진행되고 있다.

    만일 사람에게도 이러한 D. radiodurans와 같은 방사능에 대한 저항 능력, 아니 탁월한 수리기능을 가질 수만 있다면 아마 지구의 종말 따위는 아무런 두려움의 대상이 않을 것이다. 먼 훗날 몇 억 년의 시간이 흘러 급속한 환경의 변화로 말미암아 인간이 멸종되고 또 다른 생물체가 지구를 뒤덮고 있을 때에도 D. radiodurans는 그들에 의해 연구되고 있지 않을까?

    마지막으로 존 트레비스(John Travis)의 희망적인 한마디를 붙이고자 한다. "방사능 저항성을 가지는 박테리아는 국가의 최악의 폐기물 지역을 정화시킬 것이다(Radiation-resistant bacteria may clean up the nation’s worst waste sites)". 앞으로 깨끗한 지구를 보존하여 자손들에게 물려줄 책임이 있는 우리에게 계속 미생물을 연구해야할 이유를 던져주는 한마디이다.

 관련 사이트 및 참고자료

  * The Deinococcus radiodurans Genome Database : www.tigr.org/tdb/CMR/gdr/htmls/SplashPage.html

  * Summary sequence view : www.ncbi.nlm.nih.gov/cgi-bin/Entrez/framik?db=Genome&gi=144

  * Science News Online (12/12/98) [Meet the Superbug]
       www.sciencenews.org/sn_arc98/12_12_98/Bob1.htm

  * www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/286/5444/1571

  * Deinococcus radiodurans Collection sites, home-pages
       www.bacteriamuseum.org/species/Dradiodurans.shtml

  * Science Vol.286: 1571-1577 (1999)

  * Nature Biotechnology 1998년 10월호

  * 제레미 리프킨[바이오테크시대], 전영택·전병기 역, pp45-50, 민음사, 1999

[신천옹]

D. radiodurans는 암 치료에도 효과적으로 이용된다. 많은 세포들은 DNA가 외부자극으로 손상을 입으면 치료에 나서는데 이때 완전복구에 실패해 변종이 만들어지면 암으로 발전하는 경우가 대부분이다. 이에 암을 치료하기 위해 우수한 복원능력을 지닌 D. radiodurans의 DNA 수리 기작을 이용하여 암 치료 연구에 박차를 가하고 있다.