Bonnie Bassler의 박테리아가 대화하는 방법

박테리아는 지구 상에서 가장 오래된 유기체입니다. 수십억 년 동안 살아남은 단세포 미생물이죠. 단세포이기 때문에 단 하나의 DNA를 가지고 있습니다. 그래서 자신의 형질을 발현하기 위한 유전자와 유전 정보도 매우 적습니다. 박테리아가 살아가는 방법은 주위 환경에서 영양분을 흡수하여 원래 크기의 두 배로 자라면 정 가운데로 반으로 나뉩니다. 하나였던 세포는 두 개가 되고, 그렇게 계속 세포 분열을 해 나갑니다. 자라고 분열하고 자라고 분열하는 지루한 생활이에요. 하지만 오늘은 이 생물체의 특별한 점에 대해 말씀 드리려고 합니다. 이들이 여러분과 놀라운 상호작용을 하고 있다는 점이죠.

여러분이 자신을 순수한 인체로 생각하시겠지만, 제가 바라보는 여러분의 모습은 이렇습니다. 여기 (슬라이드에 그려진) 사람을 일반적인 인간이라 가정해봅시다, 저 사람 안에 있는 모든 원들은 여러분의 몸을 이루는 세포 하나하나를 보여주고 있습니다. 인체를 구성하고 있는 약 1조 개의 인간 세포들이 우리를 존재하게 하며, 여러가지 일들을 할 수 있게 해줍니다. 반면 여러분의 체내외에 존재하는 박테리아의 수는 10조개에 이릅니다. 인체에 존재하는 박테리아 세포의 수가 인간 세포에 비해 10배나 더 많다는 뜻이죠. 그리고 물론 DNA도 살펴봐야 되겠죠. 여기 A, T, G, C 염기가 있습니다. 유전 정보를 구성하는 이 염기들이 여러분 각자의 매력을 만들어냅니다. 사람은 약 3만개의 유전자를 가지고 있는데 알고 보면 평생 그보다 100배나 많은 박테리아 유전자를 몸 안팎으로 지니고 삽니다. 기껏해야 여러분은 10%짜리 인간이거나 실은 1%짜리에 가깝다는 거죠. 어떤 기준으로 보느냐에 따라 차이는 있을 수 있습니다. 여러분은 스스로 인간이라 생각하신다는 것을 알고 있지만 저는 여러분을 90~99%의 박테리아라고 봅니다.

(웃음)

박테리아는 수동적으로 살아가지 않습니다. 우리의 생존에 무척 중요한 역할을 합니다. 보이지 않는 갑옷으로 우리몸을 둘러싸고 주위 환경으로부터 해를 입지 않도록 하고 우리를 건강하게 해줍니다. 음식을 소화시키고 비타민을 만들어 주기도 하며 면역계를 교육해 해로운 미생물이 침입하지 못하도록 합니다. 이처럼 박테리아는 많은 놀라운 일들을 합니다. 우리를 도와 생명을 유지하는데 중요한 역할을 하지만 그런 일로 주목 받은 적은 없습니다. 오히려 우리에게 가하는 여러 끔찍한 일들이 주목을 끌곤 했습니다. 세상에는 여러분에게 해를 끼치지 않는 수많은 박테리아들이 있는 반면에 심각한 병을 앓게 하는 경우도 있으니까요.

그래서 저희 연구팀은 박테리아가 하는 좋고 나쁜 모든 일에 대해 연구하고 있습니다. 정확히 말하면 그 모든 일들 도대체 "어떻게" 하냐는 거죠. 박테리아는 현미경 없이 볼 수 없을 정도로 작잖아요. 자라고 분열하기를 반복하는 지루한 생활을 하니까 지금껏 반사회적으로 은둔 생활을 하는 유기체라 여겨졌고요. 그러니 개체 단위로 활동하는 박테리아는 주위 환경에 영향을 미치기에 너무도 작은 존재로 보였습니다. 그래서 저희는 박테리아가 살아가는 다른 방법이 있을지 생각해보기로 했습니다.

그리고 이 질문에 대한 실마리를 Vibrio fischeri라 불리는 한 해양 박테리아에서 찾았습니다. 지금 보시는 슬라이드는 한 실험실 동료가 박테리아를 액체 배양하고 있는 플라스크를 들고 있는 사진인데요. 바다에서 온 무해하고 아름다운 박테리아로 Vibrio fischeri라 불립니다. 이 박테리아는 빛을 내는 특성을 가지고 있습니다. 즉, 생물발광을 합니다. 반딧불이 발광을 하듯이 말입니다. 박테리아 세포를 조작한 것이 아니라 방의 조명을 끄고 찍은 사진일 뿐인데 보시는 바와 같습니다.

박테리아가 빛을 만든다는 사실 자체보다 발광하는 시기가 언제인지가 더 흥미로운 부분입니다. 묽은 용액 상태로 혼자 있는 박테리아는 빛을 만들지 않았습니다. 하지만 세포 수가 일정한 수준에 이르면 모든 박테리아가 동시에 발광을 합니다. 우리는 원시적 유기체인 박테리아가 혼자 있는지 집단으로 있는지를 어떻게 구분하고 집단 행동을 할 수 있는 것인지 궁금했습니다. 저희는 박테리아의 이런 능력이 대화에서 온다는 것을 알아냈습니다. 박테리아가 화학적 언어로 대화합니다.

지금 보시는 이것을 박테리아 세포라고 해보죠. 혼자 있을 때는 빛을 내지 않습니다. 그 대신 작은 분자를 만들어 분비하는데 호르몬과 비슷한 것이라 생각하셔도 무방합니다. 빨간 삼각형들이 분비되는 분자들을 나타냅니다. 박테리아가 혼자 있으면 이 분자들이 퍼져 나가 버리기 때문에 발광하지 않습니다. 하지만 박테리아가 성장해서 수가 불어나 여럿이 동시에 이 분자를 분비하기 시작하면 세포가 늘어나는 수와 비례하여 세포 외부 분자의 숫자도 증가합니다. 증가하는 분자의 수가 주변에 있는 이웃의 수를 알려줄 수 있을 정도의 일정한 양에 이르면 이를 인식한 모든 박테리아가 동시에 발광합니다. 이것이 생물 발광이 일어나는 방식이에요. 화학적 단어를 사용해서 대화를 하지요.

Vibrio Fischeri가 발광하는 원인은 그들의 생태상에서 찾을 수 있습니다. 또 다른 바닷 속 발광 플러그를 볼까요? Vibrio fischeri는 이 오징어에서 살고 있는데요. 여러분이 보고 있는 것은 하와이 짧은꼬리 오징어입니다. 등 부분이 밝게 빛나고 있죠. 여기 두 개의 빛나는 돌출부를 주목해주세요. 이 곳이 Vibrio ficheri 세포가 사는 집입니다. 여기에 많은 수의 세포가 거주하며 분자를 방출해 발광합니다. 오징어가 이러한 장난(?)을 참고 있는 이유는 오징어도 빛을 원하기 때문입니다. 이 작은 오징어는 이런 공생 방식으로 하와이 연안에서 살아갑니다. 무릎 깊이 정도의 얕은 물에서요. 이 오징어는 야행성이기 때문에 낮에는 모래 속에서 잠을 자다가 밤이면 사냥하러 나옵니다. 별빛과 달빛이 밝은 밤에는 물 속 깊이 빛이 관통합니다. 오징어는 2 피트 정도의 깊이에서 살고 있거든요. 그래서 이 오징어는 조리개 기관을 발달시켰습니다. 박테리아가 살고 있는 발광 기관을 개폐할 수 있는 장치에요. 등에 있는 감지기를 통해 별빛과 달빛의 양을 감지해서 조리개를 여닫아 자기 몸 아래쪽으로 박테리아들이 발광하는 빛의 나가는 양을 조절합니다. 등으로 감지한 빛과 동일한 조도로 발광해서 그림자가 생기지 않도록 하는 거죠. 박테리아의 빛으로 역발광해서 천적 방어 장치로 사용하는 것입니다. 그림자가 생기지 않기 때문에 천적은 오징어가 움직이는 궤도를 계산해서 포식할 수 없습니다. 바다의 스텔스 폭격기라고 할 수 있죠.

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하지만 다른 한편으로 오징어에게 심각한 문제가 있는 셈입니다. 두터운 박테리아 배양이 죽어가면 더 이상 이 장치를 유지할 수 없습니다. 그래서 오징어는 매일 아침 해가 떠오를 때 모래 속에서 잠을 잡니다. 24시간 주기로 작동하는 펌프를 사용해서 해가 뜰 때 95% 정도의 박테리아를 뿜어냅니다. 그러면 박테리아 농도는 묽어지고 호르몬 분자도 옅어져 빛을 내지 못하지만 오징어는 신경 쓰지 않아요. 모래 속에서 자고 있으니까요. 하루가 지나는 동안 박테리아가 증식하고 호르몬 분자를 분비해 빛을 냅니다. 오징어가 원하는대로 정확히 밤에 말이죠.

우선 우리는 박테리아들의 작동 방식을 알아낸 후에 분자생물학의 방법론을 차용하여 실제 메카니즘을 알아내고자 했습니다. 우리가 발견한 것은 (원을 가르키며) 이것을 박테리아 세포라고 가정합니다. Vibrio ficheri는 빨간 상자로 표시된 단백질을 가지고 있습니다. 빨간 삼각형은 작은 호르몬 분자를 만들어내는 효소입니다. 세포는 성장하면서 모두 분자를 분비합니다. 그래서 그 주변에 많은 분자가 존재하게 되죠. 또한 박테리아 표면에는 분자에 맞는 수용체가 있습니다. 분자와 수용체는 열쇠와 자물쇠 같은 관계입니다. 여러분 세포 표면에 존재하는 수용체와 같습니다. 분자가 적정량으로 늘어나면 세포 수에 대한 정보를 전달합니다. 이 때 분자는 수용체와 결합하여 세포 내로 그 정보를 전달합니다. 세포에게 발광하라고 말해주는 것입니다. 빛을 만드는 집단 행동이죠.

이것이 흥미로운 이유는 지난 10년 간 연구 결과에 따르면 이것이 일부 박테리아에서만 발견되는 특이 현상이 아니라는 것입니다. 바닷 속 어둠을 밝히는 박테리아뿐 아니라 모든 박테리아가 이러한 시스템을 가지고 있습니다. 모든 박테리아가 대화할 수 있다는 거죠. 그들은 서로 이해할 수 있는 화학적 언어를 만들고 이를 이용하여 집단 행동을 합니다. 이는 모든 세포가 참여해야만 성사됩니다. 우리는 이 행동에 '정족수 인식'이라는 근사한 이름을 붙여주었습니다. 화학적인 투표 과정을 통해서 표가 집계되면 모든 박테리아가 결과에 승복합니다.

오든 드린 이야기들 중 중요한 부분은 박테리아가 수백 가지 행위를 집단으로 해낸다는 점입니다. 그 중에서 여러분들에게 가장 중요한 한 가지를 꼽자면 인체에서 병을 일으키는 능력에 대한 부분입니다. 한 쌍의 박테이라가 인체에 침투해서 독소 분비를 시작한다고 해도 그 양에 비해 인체가 거대하기 때문에 아무 영향도 미치지 못합니다. 우리가 이제 이해하게 된 바에 따르면 인체에 침투한 박테리아는 증식하고 늘어나는 분자 수를 헤아리며 때를 기다리다가 세포가 일정한 수에 이르면 모든 박테리아가 함께 공격을 시작합니다. 거대한 숙주를 성공적으로 정복하게 되죠. 박테리아는 이렇게 정족수를 인식하는 방법으로 발병 시기를 조절합니다. 이것이 박테리아의 작업 방법이죠.

우리는 분자에 대한 연구도 병행했습니다. 슬라이드 상에서 보신 빨간 삼각형 말이죠. 이 Vibrio ficheri 분자를 통해 박테리아들이 대화를 나눕니다. 다른 종류의 박테리아에 대해서는 연구하기 시작했습니다. 이것이 저희가 분자에 대해서 조금 알아낸 내용입니다. 저는 여러분께서 분자들이 서로 연관되어 있다는 사실에 주목해주셨으면 합니다. 모든 종류의 박테리아들의 왼쪽 부분은 동일한 반면 오른쪽 부분은 각 종별로 조금씩 다르죠. 이 부분은 박테리아 각각의 종이 사용하는 언어들의 특이성을 부여하는 역할을 합니다. 각 분자들은 본인과 짝을 이루는 수용체에만 맞기 때문에 각 종 간의 사적인 비밀 대화가 가능해지죠. 즉 대화는 동종 간에 이루어집니다. 그리고 박테리아들은 이러한 종 특유의 분자를 통해 동종 박테리아의 수를 셀 수 있습니다.

우리의 연구가 이 정도 진행되자 박테리아의 사회적 행동을 이해할 수 있었습니다. 그러나, 이 연구를 진행하는 동안에도 우리는 다양한 종류의 박테리아들이 함께 살아가리라 믿었습니다. 수백, 수천 종류의 이종 박테리아들과 말이죠. 여기 슬라이드에 묘사해봤습니다. 이것은 인체 피부입니다. 현미경으로 관찰한 사진이에요. 여러분의 몸 어디로 보더라도 이 사진과 거의 비슷할 거에요. 모든 종류의 박테리아가 섞여 살고 있는 것을 확인하실 수 있다면 좋겠어요. 만약 박테리아 간의 의사소통이 이웃의 수를 헤아리는 것이라면 동종 간의 대화만으로는 충분하지 않다고 생각하기 시작했습니다. 다양한 종 간 합의를 이끌어 낼 수 있는 다른 방법이 있어야만 했죠.

그래서 우리는 분자생물학으로 돌아가서 다른 박테리아들에 대해 공부하기 시작했고 현재까지 우리가 알아낸 사실은 박테리아가 다국어를 구사한다는 것입니다. 특정 종내에서만 사용되는 1차 시스템을 통해 분자들이 "나야"라고 말할 수 있게 되는 반면에 이런 각 종들의 1차 시스템을 포괄할 수 있는 2차 시스템이 존재한다는 사실을 발견했습니다. 박테리아들에게는 이런 두 번째 신호를 담당하고 있는 두 번째 효소와 수용체를 가지고 있었습니다. 무역을 위한 언어인 셈입니다. 서로 다른 박테리아들이 모두 사용하는 다른 종 간의 대화를 위한 언어죠. 즉 박테리아는 동종과 이종의 개체수를 셀 수 있다는 뜻입니다. 정보를 내부로 가져와서 모딘 무리 중 누가 소수이고 다수이냐에 따라서 어떤 작업을 수행할지 결정하는 것입니다.

우리는 다시 화학 문제로 돌아갔습니다. 우리가 알아낸 공용어 분자는 슬라이드에 핑크색 타원으로 표시했습니다. 5개의 탄소로 이루어진 매우 작은 분자입니다. 중요한 것은 우리가 모든 박테리아들이 동일할 효소를 가지고 있고 아주 똑같은 분자를 만든다는 사실을 배운 데 있습니다. 모든 박테리아는 이 분자를 사용해 종 간 대화를 합니다. 말하자면, 박테리아의 에스페란토(공용어)인 셈이죠.

(웃음)

연구가 여기까지 진행된 후 우리는 박테리아가 화학적 언어로 대화한다는 것을 알게 되었습니다. 그리고 동시에 이 연구 결과를 우리가 실용적으로 활용할 수 있으리라 생각하기 시작했어요. 지금까지 여러분께 박테리아가 사회적 활동을 하고 이 분자들로 대화를 한다는 사실에 대한 말씀을 드렸습니다. 물론 분자들이 하는 중요한 일 중 하나가 정족수를 인식하여 병을 일으킨다는 점도 말씀 드렸습니다. 우리는 박테리아가 말하고 듣지 못하게 되면 어떨까 생각했습니다. 이것이 새로운 종류의 항생제가 될 수 있지 않을까요?

물론 지금 들으셨거나 이미 알고 계셨던 것처엄 기존의 항생제는 효력을 잃어가고 있습니다. 요즘 박테리아들은 약에 대한 내성이 대단히 강하기 때문이죠. 박테리아를 죽이기 위해 지금까지 수많은 항생제를 사용해왔습니다. 항생제는 박테리아 세포막을 터트려 죽이고 DNA 복제를 할 수 없도록 만들었습니다. 전통적인 방식의 항생제로 박테리아를 없앤 대신에 내성이 있는 변종을 만들어 낸 것입니다. 이제 감염 질환계의 국제적인 문제로 부각되고 있습니다. 그래서 우리는 박테리아의 행동 방식을 수정해서 집단 행동하는 것을 막고 병도 일으킬 수 없도록 하는 건 어떨까 생각한 것입니다.

이를 위해 우리는 두 가지 전략을 택했습니다. 우선 우리는 동종 간 의사소통 체계를 공략했습니다. 실제 분자와 유사한 가짜 분자를 만들었습니다. 보시다시피 약간의 차이는 있지만 어쨌든 수용체에 틀어박혀 진짜 분자를 인식하지 못하도록 방해합니다. 빨간 색 시스템에서 우리가 할 수 있는 것은 특정 종이나, 특정 질환의 정족수 인식을 방해하는 분자를 만드는 것입니다. 핑크색 시스템에서도 똑같이 했습니다. 이종 박테리아에 공통 작용하는 분자를 약간 변형해서 이종 간 의사소통 체계를 방해하는 길항제를 만들어 왔습니다. 저희는 이 전략이 모든 종류의 박테리아에 대항하는 다양한 종류의 항생제에 사용되기를 바랍니다.

사용한 전략을 직접 보여드리면서 마치도록 하겠습니다. 여기서는 이종 간 분자를 사용해서 보여드리겠습니다. 하지만, 동종이든 이종이든 논리는 똑같습니다. 아시다시피 박테리아가 동물 신체로 침투했다고 해서 여기서는 쥐를 사용했는데 즉시 병을 일으키는 것은 아닙니다. 침투한 후에는 증식하고 정족수를 인식하는 분자를 분비하기 시작합니다. 박테리아의 수가 발현하는 정족수에 이르렀을 때 공격을 시작하고 그러면 동물은 죽습니다. 병을 일으키는 균을 줄 수도 있었지만 정족수 인식을 방해하는 분자를 투여했습니다. 이것들은 실제 분자와 비슷하게 보이지만 화면에서 보시는 바와 같이 약간 다른 분자입니다. 감염된 동물을 치료해보면 여러 항생제에 내성을 가진 병원성 박테리아에게 감염된 경우라도 정족수 인식을 방해하는 분자를 투여하면 동물이 살아남는다는 것을 알게 되었습니다.

우리는 이 방법이 차세대 항생제가 되어 약물 내성이라는 심각한 문제로부터 인류를 구하는 적어도 그 첫 걸음이 되리라 생각합니다. 박테리아가 화학적인 대화를 나눌 수 있게 해주는 엄청나게 복잡한 화학적 어휘들에 대해 우리가 배우기 시작했다는 점을 생각해주셨으면 합니다. 물론 박테리아가 이런 일들을 할 수 있으려면 다세포가 되어야 합니다. 그래서 그들도 TED의 정신으로 함께 작업하고 있는 거죠. ^^ 바로 여기에서 차이점이 생깁니다. 이런 집단 행동을 통해 혼자라면 결코 이룰 수 없는 많은 일들을 해낼 수 있게 됩니다.

이렇게 박테리아들이 다세포성을 창안하게 된 것에 대해 여러분께 조금 더 말씀 드리고 싶습니다. 박테리아는 수십억 년 동안 지구 상에 존재해왔습니다. 인간은 수십만 년 전에 등장했죠. 우리는 박테리아가 다세포 조직의 행동 양식을 만들었다고 생각합니다. 우리는 박테리아를 공부함으로써 인체의 다세포 활동에 대해 통찰할 수 있을 것입니다. 우리가 이에 대한 원리와 규칙을 이러한 원시 유기체를 통해 이해할 수 있다면 인류의 다른 질병과 행동에도 적용할 수 있기를 바랍니다. 저는 여러분이 박테리아가 자신과 타 개체를 구분할 수 있다는 것을 배우셨다면 좋겠습니다. 두 개의 분자를 이용해, 그들은 "나"와 "너"를 말할 수 있습니다. 다시 한 번 말하지만 물론 우리 인간도 분자적으로나 그 외 방식으로도 이런 일을 합니다. 그러나, 저는 분자 수준에서 생각해봅니다.

이런 일이 우리 몸에서도 독같이 일어납니다. 여러분의 심장 세포와 신장 세포는 뒤섞이지 않죠. 그 이유는 인체 내의 화학적인 작용 덕분입니다. 이 분자들은 각 세포가 어떤 그룹에 속하는지 어떤 일을 해야 하는지 할려줍니다. 다시 말씀 드리지만, 우리는 박테리아가 이것을 창안했다고 생각합니다. 인간은 몇 가지 부속물을 진화시켰을 뿐이에요. 사실 모든 기본 착상은 우리가 공부하고 있는 간단한 시스템 안에 들어있습니다.

마지막으로 다시 한 번 이 연구의 실용적인 측면을 강조하고 싶습니다. 정족수 인식을 방해하는 분자를 만들어냈고 지금은 새로운 종류의 치료법으로 발전시키는 중입니다. 반대로 지구 상에 있는 모든 경이롭고 이로운 박테리아들을 위해서 우리는 정족수 인식을 도와주는 분자도 만들어왔습니다. 우리의 또 다른 목표는 유익한 활동을 증진할 수 있는 시스템이기 때문입니다. 여러분은 몸 안팎으로 여러분을 건강하게 해주는 박테리아 세포를 인체의 10배 이상 가지고 있다는 사실을 기억하세요. 그리고, 우리는 여러분에게 도움이 되는 박테리아 간의 대화를 증진시키기 위해서도 노력하고 있습니다. 여러분을 더 건강하게 만들 수 있도록 박테리아들의 대화를 돕고 싶으니까요. 인체에 이로운 박테리아가 혼자 힘으로 하는 것보다 조금 더 편하게 일할 수 있도록 돕고 싶습니다.

마지막으로 여러분에게 보여 드리고 싶은 것이 있어요. 사진에 있는 사람들은 뉴저지 프린스턴 대학의 제 동료들입니다. 제가 말씀드린 모든 것은 사진 속 누군가가 발견한 것입니다. 저는 여러분이 자연계가 어떻게 움직이는지 배우고 관심을 갖기를 바랍니다. 여러분이 신문이나 다른 사람을 통해 듣게 된 자연계의 새로운 일들은 어린 나이의 사람이 해냈다는 걸 아셨으면 합니다. 과학은 저런 사람들이 합니다. 이들은 모두 20~30세 정도의 나이입니다. 그리고 바로 이들이 이 나라의 과학을 이끌어가는 동력입니다. 이런 나이의 사람들과 함께 일할 수 있다는 것이 참 행운인데요. 저는 점점 더 나이가 들겠지만, 동료들은 언제나 젊으니 정말로 즐거운 직업입니다. 초대해 주셔서 감사하다는 말씀을 드리고 싶습니다. TED에 참석할 수 있다니 큰 영광입니다.

(박수)

감사합니다.

(박수)♫