[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

세계보건기구(WHO)는 항생제 내성을 인간의 건강과 생명에 대한 최상위 위협 중 하나로 꼽고 있다. 조용한 팬데믹으로 알려진 ‘항생제 내성균’에 의해 전 세계적으로 매년 수백만 명이 사망하고 있다. 특히 항생제 내성균의 발생과 유행은 신·변종 감염병과 유사한 파급력을 지니며, 22.3%의 높은 치사율을 가진다. 최근 9년(`13~`21년)간 항생제 내성균 감염에 의한 치사율은 22.3%로 COVID19 (0.13%)와 메르스(20.4%)보다 높은 치사율을 나타내어 매우 심각한 수준 기록하고 있다. 또한 항생제 내성의 확산과 동시에 항생제 개발 및 발견이 감소하고 있는 상황에서, 2050년까지 항생제 내성 병원균이 심장병이나 암과 같은 인간의 주요 사망 원인을 넘어설 것으로 예측된다.

이와 같은 상황에서 인체에 무해하며, 항생제에 내성을 가진 병원균을 잡아먹는 착한 박테리아인 포식성 박테리아(Bdellovibrio and Like Organisms)가 차세대 감염병 치료제로 주목받고 있다. 포식성 박테리아는 자연계에 널리 존재하며, 다른 박테리아를 가수분해하여 포식·제거하는 특성을 가짐으로서 다양한 산업적, 의료적 활용이 기대되고 있다.

다양한 활용처가 주목받으며 이에 대한 응용 연구가 다수 진행되고 있음에도 불구하고 포식성 박테리아를 산업적 수준으로 대량배양 할 수 있는 적절한 공정이 마련되어 있지 않다. 기존의 포식성 박테리아 배양법은 여러 단계로 구성되고 중간 단계에서 분리 정제 과정을 거침으로 인해 여러 배양 장치를 필요로 할 뿐만 아니라, 산업적 수준으로 배양의 규모를 높이기가 힘들었다. 여러 단계에서 발생되는 오염 문제도 심각하였다. 이에 적절한 대량배양 공정 개발을 통해 포식성 박테리아를 산업적 수준으로 대량배양하는 초석의 마련이 필요하였다.

2. 연구내용

본 연구는 포식성 박테리아 연구에 널리 이용되는 Bdellovibrio bacteriovorus HD100의 배양 공정을 최적화한 ‘one-pot 배양’ 시스템을 이용하여 배양에 걸리는 복잡성과 시간을 줄인 방법을 설명한다.

기존의 포식성 박테리아 배양 방식(그림 1. Scheme A)은 먹이 박테리아인 대장균을 먼저 대량 배양한 뒤 이를 대장균 세포만을 분리해내고, 이를 다시 포식성 박테리아 배양액인 HEPES에 희석하고 포식성 박테리아를 투여하여 이루어졌다. 이러한 공정에서는 먹이와 포식성 박테리아를 각각 성장시키기 위해 각기 다른 배양 플라스크와 48시간 이상이 요구된다는 불편이 있었다. 본 연구진이 제시한 초기 개선 공정은 배양 미디어를 변형하여 먹이 박테리아가 성장한 후 같은 배양 플라스크에서 포식 박테리아를 배양할 수 있게 되었지만, 여전히 2일 이상이 걸린다(그림 1. Scheme B). 여기서 한단계 더 나아간 ‘One-pot’ 배양 방식은, 변형된 미디어에 더불어 먹이 및 포식 박테리아의 성장 패턴이 다르다는 점에 착안하여, 두 세균을 처음부터 동시 배양하면서 24시간 내에 포식 박테리아를 배양할 수 있게 만들었다(그림 1. Scheme C). 이를 위해 배양액의 pH, 삼투압 및 여러 조건들이 포식 박테리아의 배양에 최적화되도록 조절하였다. 세 가지 경우 모두 포식성 수율은 비슷했으며 (4.5에서 5.6x10^9 plaque-forming units (PFU)/ml), One-pot 배양 방식이 가장 우수한 수율을 보였다. Scheme C는 발효 반응기 내에서 적용되어 Scheme D로 발전되었으며, 최종 수율을 더 향상시켰다(7.0x10^9 PFU/ml), B. bacteriovorus HD100을 성장시키기 위한 One-pot 배양 방식의 성공적인 개발과 적용을 보여준다.

3. 기대효과

혁신적인 “one-pot 배양” 시스템을 개발 및 적용하여 포식성 박테리아를 산업적 수준으로 대량배양 할 수 있는 가능성을 열었다. 본 방법은 포식성 박테리아 배양에서 맞닥뜨리는 복잡함을 피하고, 포식성 박테리아의 배양에 필요한 시간을 절반 이상 줄였다. 포식성 박테리아가 다양한 산업 및 의료 연구에서 크게 주목받고 있는 바, 추후 거대 규모의 활용에 앞서 대량 배양 공정 기틀을 마련하였다.

[붙임] 용어설명

1. 포식성 박테리아 (Bdellovibrio bacteriovorus HD100)

델로비브리오(Bdellovibrio)는 그람 음성균이며 호기성인 박테리아 속(genus)이다. 특징으로는 다른 그람 음성균을 잡아먹고 숙주의 생체 고분자(단백질, 핵산 등)을 먹어 포식성 박테리아로 알려져 있다.

2. 포식

먹이 박테리아 숙주에 결합하고 침투하여, 숙주 세포 내부에서 성장 및 배양을 하는 특이한 행동 양식을 말한다. 이러한 특성은 생체 내 항생제로의 응용 가능성을 탐구하는 연구에서 주목받고 있다.

3. HEPES

pH를 안정적으로 유지할 수 있는 버퍼 용액 중 하나이며, Bdellovibrio bacteriovorus와 같은 포식성 박테리아의 성장 및 배양에 주로 이용된다.

4. Plaque forming unit

박테리아가 세포를 감염하여 형성된 클리어 영역 또는 "플라크(plaque)"의 수를 나타낸다. 플라크는 감염된 세포 집단이 죽거나 손상되어 세포의 생장이 억제되는 지역이다. PFU는 이러한 플라크의 수를 기반으로 박테리아의 활성을 계산한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 포식성 박테리아인 B. bacteriovorus HD100 성장을 단순화하기 위한 대체 배양 방식

 a) B. bacteriovorus HD100의 포식 생활사, bdelloplast 생성 및 숙주세포 내부에서 포식자 성장에 관여하는 여러 단계를 보여준다. b) 고안된 배양 방식들은 각 각의 과정을 강조하며, Scheme의 간소화된 특성을 설명한다.

그림2. Scheme D 배양 방식을 적용하여 발효 반응기 내에서 먹이 박테리아인 대장균(E. coli K-12 MG1655)와 포식박테리아(B. bacteriovorus HD100)의 성장을 시간에 따라 현미경으로 보여주는 그림

포식성 박테리아는 tdTomato 단백질을 발현하여 빨간색으로 빛난다. 초기에는 포식성 박테리아를 찾아보기 어렵지만 15시간 이후 급속하게 포식박테리아의 수(빨간색)가 급격히 증가됨을 확인하였고, 24시간이 지나면 배양액에 포식성 박테리아만이 존재함을 확인하였다.