세균 두 얼굴의 룸메이트

- 하버드 대학교 생화학자인 J. 우드랜드(우디) 헤이스 팅스(J. Woodland "Woody Hastings)가 처음으로 미생물들이 비밀리에 소통한다는 논문을 공식화했을 때 회의적인 시각이 컸다. 하지만 헤이스팅스는 세월이 지나면서 인정받게 되었다. 미생물이 데이트를 하고 스스로 대규모로 조직할 수 있는 놀라운 능력이 있다는 것인데, 미생물학에서는 다소 포괄적인 '쿼럼 센싱 (quorum sensing)'이라는 표현이 일반적으로 사용된다. 이것은 단세포 생물 들 주변에 얼마나 많은 동류가 있는지를 분명히 인지할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 이러한 능력을 자기 이익을 위해 사용한다는 것을 의미하기도 한다. 우리 행성의 가장 작은 생명체들은 분명 놀라울 정도로 복잡한 의사소통 시스템을 개발해 매우 다양한 요구사항을 표현할 수 있다. 지난 몇 년 동안만 해도 연구자들은 약 20가지의, 미생물들이 서로 다른 메시지를 전달하는 신호 분자를 밝혀냈다. 아마도 그것은 이들의 해독된 의사소통 방식 중에서도 극히 일부분에 지나지 않을 것이다.
- 인간의 몸에 살고 있는 미생물이 긍정적인 성질도 갖고있다는 것은 1960년대에 이르러 과학계에서 서서히 확립된, 비교 적 역사가 짧은 깨달음이다. 이전까지 미생물은 인체의 유기물질 을 먹고 살며 그것을 괴롭히는 일종의 기생충으로 취급되었다. 당시 미생물에 대해서는 아무것도 알려져 있지 않았다. 다소 생 뚱맞게 느껴지는 '미니 공동체'라는 용어는 1988년에 처음 등장한 것으로 보이는데, 특히 해충 관리에 관한 연구에서 도드라진다. 당시에는 미생물을 아무도 우리 면역체계의 도우미라고 부르지 않았 다. 그 이후로 많은 일들이 있었다. 이제 우리는 출생시 아기가 엄마의 질 속 세균군, 심지어 엄마의 대변을 통해서도 기초적인 면역 체계를 갖춘다는 사실을 알게 되었는데, 이는 혼수품이나 처음으로 장만한 집의 가구 인테리어보다 훨씬 중요한 요소다.
- 인간의 몸에 살고 있는 미생물들은 3세 정도가 되면 거의 자란 다. 이 시점부터 마지막 숨을 내쉴 때까지 우리 몸속에서는 미생물이 함께 살아간다. 하지만 출생 시 이런 자연 예방접종을 받지 못하는 아기들은 어떻게 될까? 제왕절개로 태어난 신생아가 알레르기나 다른 질병에 노출될 위험이 더 큰 것은 확실하다. 이들 신생아들은 또한 감염에도 취약하 다. 이후 이들이 알레르기, 천식 또는 제1형 당뇨병에 걸릴 위험도 분명 훨씬 더 크다고 볼 수 있다. 그렇기 때문에 제왕절개 수술 후 특이한 조치를 취하는 의사들이 점점 더 늘어나고 있다. 즉 아기가 첫 울음소리를 낸 후 산모의 질 분비물을 아기의 몸에 바르는 것이다. 이처럼 자연분만을 통한 출산 시의 박테리아 접종을 시뮬레이션하는 방식의 이런 질내 박테리아 뿌리기가 정말로 유용한지 여부는 아직 분명하지 않다.
- 사실 우리의 내장은 등뼈보다 더 많은 신경세포를 포함하고 있다. 그리고 점점 더 많은 연구자들이 소화기관과 사고기관이 축을 형성하고 정보를 교환하는 것이 아닌가 추측하고 있다. 여기서 다시 미생물들이 게임에 참여한다. 뇌에 대한 무선 연결은 박테리아 나 그 대사물에 의해 자극된 장내 신경의 움직임을 통해 이루어진다. 또 다른 기이한 발견은 이러한 현상이 뇌에 메시지를 보내는 미생물의 능력과 직접 관련된 것으로 보인다. 자폐증이나 우울증, 파킨슨씨병을 앓고 있는 사람들의 장내 미생 물 지도는 사람이 짓밟아놓은 화단처럼 괴상한 모양을 하고 있다. 그렇다면 장내 꽃밭을 갈퀴로 말끔하게 정리하면 환자들의 고통이 줄어들 수 있을까? 그렇게 되면 장내 박테리아는 아마도 뇌에 기쁨의 메시지를 보낼 것이다. 여기 아래쪽은 이제 다 괜찮아! 그리하여 삶이 상당히 정상적으로 흘러갈 수 있게 된다.
- 박테리아의 밀도가 높은 인체의 상위 목록에는 장과 구강 부위가 올라 있다. 3위는 여성의 음부로 피부보다 더 높은 순위다. 열려있는 신체 조직으로서 여성의 음부는 미생물의 관문이라 할 수 있다. 일반적으로 사춘기에는 원치 않는 외부의 침입자들을 막기 위 해 젖산 박테리아의 보호군이 구축된다. 침입한 적군 박테리아를 죽이기 위해, 이 근위병 박테리아는 일반인들에게 머리카락 탈색제로도 알려져 있는 과산화수소를 생산 한다. 하지만 이 경비병들이 기력을 잃게 되면 혐기성 생물이라 부 르는 나쁜 녀석들이 침입한다. 이들은 여성의 생식기에 많은 손상을 입히기 위해 굳이 산소를 필요로 하지 않는 박테리아다. 그 결과 질은 보통 가드네렐라 바지날리스(Gardnerella vaginalis)균에 감염된다. 이 달콤한 이름은 세균의 파괴성과 아무런 관련이 없는 듯하다. 하지만 이 혐기성 생물이 폭 발적으로 증식하면 생식기 감염에 의한 불순물 증가나 생리주기의 불규칙, 염증, 심지어 불임까지도 유발할 수 있다. 과학자들은 또한 질 속 세균군에 문제가 있는 여성에게서는 HIV예방 효과가 현저하게 떨어진다는 사실을 발견했다.
- 그렇다면 질 속 세균군은 왜 무질서해지는가? 항생제의 사용이 문제의 원인일 수 있다. 의학적 충격요법은 나쁜 균 옆에 있는 좋은 균도 죽이기 때문이다. 이 경우 젖산 박테리아도 함께 죽는다. 하지만 최근 과학자들은 또 다른 원인에 주목하고 있는데 이성
과의 무방비 성관계 (콘돔 등을 사용하지 않는 성관계 - 옮긴이)가 바로 그것이다. 여기서 말하는 것은 고정된 배우자와의 무방비 성관계가 아 니다. 연구자들이 이야기하는 것은 원나이트 스탠드와 같은 관계 다. 이 연구를 진행한 한 여성 연구원은 이 같은 형태의 성관계를 ‘질에 대한 공격'이라고 불렀다. 이는 문화적 투쟁과도 같다. 그 같은 진술의 배경은 확실하다. 비록 남성의 음경이 여성의 질만큼 박테리아로 가득 찬 것은 아니지만 남성의 성기 부분에도 미생물이 있고 이 미생물군이 성관계 중 여성의 질로 침투하는 것이다.
- 세포 성교의 주요 도구는 선모(pilus)다. 라틴어 필루스'는 체모를 의미하며, 일반적으로 이 부속물의 길이는 본체보다 몇 배나 길다. 고 볼 수 있다. 주인의 신체 길이의 몇 배에 달한다고 할 수 있다. 선 모의 활동이 매우 공격적이고 무례하기 때문에 투창'이나 '미사일 로 번역되는 '필룸(pilum)'이라는 단어를 사용해도 무방할 것이다. 이들은 갈고리처럼 상대를 낚아채서 긴 창처럼 생긴 남근을 찔러 넣는다. 필루스의 끝에 있는 수용체를 통해 박테리아들은 섹스 파트너 를 찾아낸다. 이들의 진짜 목표는 단세포 유기체 안에 포함된 작은 DNA 고리의 복제물질을 전달하는 것이다. 소위 생식 플라스미드 라고 불리는 이 유전체가 게놈 일부에 저장되어 있는데, 이 유전체는 수용세포에 일종의 힘을 가한다. 공격적인 미생물이 짝짓기에 적합한 박테리아를 어떻게 발견하는지는 여전히 수수께끼로 남아 있다. 지금까지 알려진 바로는 강제적인 접합의 희생자들도 이후에는 사냥꾼으로 탈바꿈해 다른 박테리아를 자신들의 유전적 물질로 감염시키려 한다. 과거에는 무해했던 박테리아들도 성폭행이 발생한 후에는 분노에 불타는 세포로 변모하는데, 이것이 인체에 위험을 초래할 수 있다. 이 새로운 유전물질로 인해 항생제에 대한 내성이 전염될 수 있으며, 그 결과 병원 환자들에게 큰 위협이 가해질 수 있는 것이다.
- 대부분의 대장균 변종은 전혀 해롭지 않은데, 특히 원래의 자리에만 머물러 있다면 더할 나위 없이 안전하다. 우리 모두는 대장균을 체내에 가지고 있으며, 1g의 대변에는 약 10억 마리의 대장균 세포가 있다. 하지만 이 박테리아의 특정한 변종이 제자리를 벗어날 때 이는 큰 위험을 초래할 수 있다. 가령 대장균이 요로에 들어가면 방광염을 일으킬 수 있다. 장과 요로와의 해부학적 근접성이 크기 때문에 여성은 남성보다 방광염에 걸릴 위험이 더 크다.
- 면역체계를 자극하는 많은 비병원성 미생물이 매우 유용하다는 것은 오래전부터 잘 알려져 있다. 우리의 면역체계가 적대적인 방어시스템이라기보다는 미생물과의 의사소통 시스템에 더 가깝다는 것은 인간의 미생물 연구에서 나온 핵심적인 깨달음이다. 그런데 의사소통이 한 방향으로만 진행된다면 얼마나 곤란한 일이 겠는가! 이는 우리 모두가 이미 경험한 적이 있을 것이다. 그런데 불행하게도 항균제나 소독제, 항생제를 아무 생각 없이 성급하게 사용할 때마다 유익한 박테리아들은 죽고 만다. 좋은 세균들이 나쁜 세균들을 극복하는 데 도움을 줄 수 있다는 징후가 곳곳에 있는 데도 말이다.
- 미국의 미생물학자 조나단 아이젠(Jonathan Eisen)은 2014년 12월 음식과 세균에 대해 눈이 번쩍 뜨이는 에세이를 발표 했다. 특히 첫 문장은 나에게 깊은 인상을 주었다. “대변 속의 미생물보다 우리 음식 속의 미생물에 훨씬 더 많은 주의를 기울여야 한 다.” 그 말은 사실이다. 냉철하고 과감한 선언이다. 아이젠은 사람들이 매일 평균 수백만에서 수십억 마리의 세균을 섭취하고 있다는 사실을 증명했다. 예를 들어, 미국 농무부의 식이 요법 권고를 따르는 사람은 아주 풍부한 양의 신선식품과 생식품, 유제품과 통곡물, 기름기 없는 고기를 먹어야 한다. 하지만 이 음식 들에는 또한 박테리아와 곰팡이가 풍부하다. 인기 많은 생채소 샐러드도 마찬가지다.
- 작은 흡충류인 이른바 세르카리아 (cercaria)의 애벌레는 숲 개미의 뇌로 침투해 거기서부터 개미의 행 동을 조절할 수 있다. 더 무서운 것은 이들 기생충들이 심지어 개미 들을 자살로 몰아넣기도 한다는 것이다. 이들 작은 벌레들은 밤에 풀잎 끝까지 올라오도록 개미들을 유인해 소나 양과 같은 더 큰 동물에게 잡아먹히도록 한다. 그리하여 개미는 죽지만 세르카리아들은 잘 지낸다. 이들은 새로운 숙주의 몸속에서 알을 부화시켜 완전히 발달된 유충으로 키운 다음 숙주 의 배설물을 따라 바깥세상으로 다시 나온다. 역겹게 들릴 수도 있 겠지만 사람들은 이들의 성공적인 생존 전략에 대해 존경을 표해야 한다.
- 그런데 통제병에 걸린 세균들이 정말 우리의 행동을 통제하는 것이 가능할까? 병원균이 뇌를 파괴하고 손상시킬 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 가령 급성 광견병에 걸리면 사람들은 격한 분노에 의해 통제 불가능 상태에 이른다. 그런데 비교적 근래에 과학자들 은 미생물이 우리 뇌에 진정한 무선통신을 구축하는, 완전히 다른 의사소통 방식을 시도하고 있다는 점을 염두에 두고 있다. 이 연결 매체는 소위 장내 미생물 뇌 축이다. 우리 소화기 계통에 있는 미생물 종류인 장내 미생물은 오늘날 우리 몸에서 매우 민감한 두 번째 뇌로 여겨진다. 생물학자들은 장에 있는 미생물 세균군 에 장애가 발생할 때 뇌에 분자 또는 호르몬의 형태로 경고 신호를 보내지 않을까 추정한다. 일부 연구자들은 우울증이나 자폐증과 같은 병들이 심각한 장내 미생물 장애의 한 표현이 아닐까 추정하기도 한다. 물론 과학자들은 이 연구를 통해 잠재적인 가능성을 본다. 어쩌면 장내 미생물의 기능에 대해 이해할 수 있다면 많은 질병을 치료하는 것도 가능할 것이다. 하지만 다소 불안한 질문을 하나 더 해보자. 장내 미생물이 뇌에 의식적인 행동의 일부가 아닌 일을 하도록 명령을 내릴 수도 있지 않을까?
- 만약 미생물들이 진화적 이유로 우리에게 위험한 행동을 하도록 명령할 수 있다는 것을 감안하면 우리는 놀랍도록 많은 종교적 의 식들이 감염을 유발할 수 있다는 것 역시 깨닫게 된다. 그런데도 미생물은 가톨릭 신자들에게 여전히 우호적인 의미를 갖는 것처럼 보인다. 성수를 몸에 뿌리는 것은 고통 없이 병원균을 얻는 방법이다. 또한 훨씬 더 잔인한 방법이기도 하다.
- 페니실린 투여는 박테리아 세포벽의 형성을 조절하는 핵심 효소를 억제한다. 젊고 아직 자라고 있는 박테리아의 세포벽은 이로 인해 부드러워지고 페니실린은 세포 속으로 흘러들어가 터져 죽게 만 든다. 기발한 메커니즘이라 할 수 있다. 세포 형성을 위한 이 효소 는 박테리아에서만 발생하지 인간이나 동물의 몸에서는 발생하지 않기 때문에 페니실린은 선택적으로 박테리아만 죽일 수 있다.
- 박테리아는 항생제의 공격으로부터 스스로 를 보호하고 그것에 내성을 갖는 자연적 능력을 가지고 있다. 내성은 환자가 치료하기 위해 처방받은 어떠한 약도 박테리아를 해치지 못한다는 것을 의미한다. 미생물이 활동을 하는 방식에는 사악한 힘이 작용한다. 특히 이 단세포 생물이 세포질과 일부 DNA 정도로만 구성된다는 것을 감 안한다면 말이다. 페니실린의 특징은 박테리아의 세포벽을 형성하 는 효소를 제거한다는 것이다. 그러나 일부 박테리아는 이 파괴 프로그램에 대항해 약물이 더 이상 접근할 수 없도록 변형된 효소를 개발했다. 이렇게 해서 가장 유명한 항생제조차 무용지물이 되었고 MRSA(메티실린 내성 황색포도상구균, Methicillin Resistant Staphylococcus Aureus)가 탄생했다. 효소의 분해작용을 통해 항생제를 파괴할 수 있는 박테리아도 있다. 이들은 또한 약 성분이 도달하지 못하도록 고치처럼 자신을 싸매기도 한다. 가장 매혹적인 세균 자가 증식 방법 중 하나는 이른 바 막 전달체로, 세포가 항생물질을 체외로 빠르게 퍼내는 펌프을 하는 것이다. 공격을 물리치는 이 놀라운 능력은 박테리아와 바이러스 외에도 모든 미생물들이 가지고 있으며 자체적으로 개발한 것이다. 그런 데 인간은 항생제에 내성이 생기도록 하는 데 많은 기여를 하고 있 다. 이미 항생제를 복용하고도 중간에 복용을 중단하게 되면 박테리아 변종의 저항력을 촉진시킬 수 있다.
- 집에서 특수 소독제를 사용하는 것이 건강한 사람들에게 이롭다는 것을 증명하는 연구는 단 한 건도 없다. 오히려 소독제나 특수 물질이 함유된 세척제를 부주의하게 사용하는 것 이 위험한 세균에 잠재적으로 유익할 수 있다는 증거가 증가하는 추세다. 심지어 소독약을 잘못 사용하면 항생제 내성을 촉진할 수 있다는 징후도 있다. 소독제는 실제로 무균 상태를 만들고 세균을 확실하게 죽이기 위해 만들어진 것이 아니다. 이들의 가장 큰 임무는 전염병의 확산 을 막는 것이다. 항생제와 달리 소독제는 어떤 특정 세균을 대상으 로 하지 않는다. 소독제는 과학자들이 선호하는 용어대로 변성을 통해 미생물 유기체의 핵심구조나 생체분자, 예를 들어 세포막의 단백질이나 지방을 파괴한다. 특히 병원 내 소독약에는 위험한 병원균에 대한 이른바 1차 방어 선으로서의 중요한 기능이 있다. 이들은 적절한 농도와 지속시간 으로 항생제 내성 박테리아를 효과적으로 죽인다. 알려진 화학 소독제로는 알코올, 오존, 염소, 과산화수소, 요오드, 클로르헥시딘, 구리, 은 등이 있다.
- 위험한 습관 중 하나는 수돗물로 소독제를 희석시키는 것이다. 또는 돈을 아끼기 위해 박테리아 표면에 소독제를 미량만 도포하는 경우다. 저항력이 특별하게 강한 미생물은 절반의 공격만으로는 오히려 반사이익을 얻는다는 것을 다양한 연구 결과가 암시하고 있다. 항생제의 사용과 마찬가지로 소독제는 주로 약한 미생물을 죽인다. 하지만 사악한 세균들은 경쟁하던 동료들이 사라진 후에도 여전히 살아 있으며 오히려 생존력이 강화된다.
- 비행기 자체에는 박테리아와 세균이 우리가 생각하는 것보다 훨씬 적다. 미생물 밀도가 가장 높은 곳은 분명 좌석의 접이식 테이블일 것이다. 그러나 1cm2당 약 300마리의 세균은 미생물 학자에게 경종을 울릴 만한 양이라고 보기에는 턱없이 모자라다. 실내 공기는 고효율 미립자 공기 (HEPA) 필터를 통해 약 2~3분마 다 교체된다. 그 결과 공기 중의 모든 박테리아가 거의 100% 제거 된다. 이렇게 공기가 깨끗한 상태는 수술실에 비견할 수 있다.긴 비행 후 감기 증상을 호소하는 승객이 있다고 해도, 그건 비행 기 내부에 치명적인 병원균의 흔적이 있어서 그런 것은 아니다. 오히려 에어컨이 있는 방의 매우 건조한 공기가 점막을 건조시킨다. 이는 병원균들이 우리의 호흡기에 더 쉽게 들어갈 수 있게 해주기 때문이다. 하지만 이런 현상은 보통 비행기 바깥에서 일어난다. 왜냐하면 기내에 있는 건조한 공기는 병원균에게 생존 기회를 그리많이 주지 않기 때문이다. 연구에서 알 수 있듯이 사실 비행기에서 독감 병원균에 감염되 는 일은 그리 흔치 않다. 미국 과학자들은 재채기를 하고난 후 인플 루엔자 바이러스의 확산을 감지하는 시뮬레이션을 개발했다. 연구 원들은 탑승한 승객들의 움직임과 인플루엔자 바이러스의 인간 사 이의 감염에 대한 지식을 종합해보았다. 그 결과 놀라운 사실이 발견되었다. 인플루엔자에 감염된 사람으로부터 두 자리 이상 떨어져 있는 승객들은 모두 세균 공격으로부터 꽤 안전했다. 이는 기본적으로 비행기 내부의 공기 흐름에 달려 있다. 공기는 초당 1m의 속도로 천장을 통해 실내로 펌프질된다. 그리고 창가 좌석 아래에서 다시 빨려 나간다. 이렇게 되면 위에서 아래로 유도되는 층류 흐름이 생성된다. 따라서 종적 기류도 수평 기류의 가장 흔한 원인 물질 18가지에 대해 10대의 대륙 간 비행기를 대 상으로 연구했다. 하지만 이들 비행기의 실내공기에서는 병원균이 발견되지 않았다.
- 우리가 항생제를 처리하는 방식이 가끔은 그야말로 무책임할 때 도 있다. 그런데 모든 사람들이 자신의 행동을 통해 박테리아 변종의 항생제 내성을 키울 수도 있다는 사실을 알아야 한다. 감기와 같은 이유로 항생제 복용을 시작하고도 철저하게 마지막 알약까지 복용하지 않고 나머지 약을 변기에 버린 사람은 위험한 슈퍼 세균의 발생을 촉진하는 것이나 마찬가지다. 왜냐하면 이 같은 행동은 보통 복용량으로는 더 이상 병원균이 박멸될 수 없는 상황을 만들 수 있기 때문이다. 그 과정에서 예민하 지 않은 박테리아가 살아남아 더 확산될 수 있다. 항생제를 자주 복용할수록 박테리아 중에서 둔감한 세균의 비율이 더 높아지고, 마침내 항생제가 더 이상 작동하지 않는 내성균 변종이 생겨난다. .
- 아미시 아이들이 동물들과 가깝게 접촉한 것이 큰 역할을 했다. 특히 동물과 함께 자라는 환경이 유익한 것으로 보인다. 어린아이 들에 대한 긍정적이고 지속적인 영향은 그들의 미생물 및 면역체계가 성장 과정에서 형성된다는 사실로 설명할 수 있다. 특정 젖산 박테리아와 같은 여러 미생물들이 동물들과의 긴밀한 접촉을 통해 아이들의 장에 영구히 자리 잡게 되고, 그것이 아이들의 면역체계를 자극할 수 있다는 가설도 있다. 개들이 나이가 들면 주인과 생김새가 닮아간다는 우스갯소리가 있다. 미생물과 관련해서는 둘 사이의 미생물 요소가 유사해진다.는 것이 이미 증명되었다.
- 입은 체내 미생물이 장에 이어 두 번째로 밀집한 서식 지다. 특히 박테리아는 치아에서 치석의 형태로 자신을 드러낸다. 이는 충치, 치주질환, 입 냄새 등을 유발할 수 있는 바이오필름 형태 로 치아와 혀에 자리 잡는다. 치석 안에 있는 박테리아는 촉진성 혐기성 유기체다. 이들은 신 진대사를 위해 산소를 필요로 하지 않는다. 따라서 치아 내에서 젖 산 발효가 일어날 수 있으며 발효된 젖산은 치아의 에나멜을 공격해 파괴한다. 혐기성 미생물이 유기물을 분해하면 즉시 불쾌한 냄새가 난다. 그러다 보니 입과 장이 거의 차이가 없게 되는 것이다.