KISTI의 과학향기

항생제는 생명을 구하지만 항생제에 내성이 있는 변종들이 진화하고 확산하는데 도움이 되기도 한다. 미 질병통제예방센터(CDC)에 따르면 매년 미국에서 항생제 내성균이 약 280만 명의 사람들을 감염시켜 35,000명 이상의 목숨을 앗아간다. 2개 이상의 항생제에 내성이 있는 다제내성(MDR, multidrug-resistant) 박테리아에 의한 감염은 특히 치료가 어렵다.

 

Washington 대학교와 Idaho 대학교 연구진은 MDR 박테리아가 얼마나 쉽게 출현할 수 있는지를 알아냈다. 2020년 4월 6일자 Nature Ecology & Evolution에 발표된 논문에서 연구진은 이미 항생제에 내성이 있는 박테리아 병원체의 경우, 그 항생제에 대한 장기간 노출로 인해 저항유전자를 유지하는 능력을 증가되었고 병원체가 두 번째 항생제에 대한 내성을 더 쉽게 획득하고 유지하게 되어 MDR 변종이 된다는 점을 발견했다.

 

연구진은 실험을 통해 한 종류의 항생제에 장기간 노출되면 그 박테리아가 근본적으로 내성이 생긴다는 점을 밝혀냈다. 이러한 효과는 박테리아가 추가적인 항생제 노출이 없는 경우에도 추가적인 항생제에 대한 내성을 획득할 가능성이 더 높았고, 이러한 균형이 수 세대에 걸쳐 항생제 내성 특성을 유지하도록 하는 역할을 했음을 밝혀냈다.

 

또한 이번 발견은 항생제 노출이 박테리아 내부의 진화 역학관계에 어떤 영향을 미치는지 보여준다. 연구진은 박테리아에서 다제 저항성의 증가 뿐만 아니라 항생제 내성이 어떻게 지속되고 환경에서 어떻게 확산되는지를 설명하는데 도움이 될 수 있을 것이라고 밝혔다.

 

연구진은 항생제 내성 확산을 위한 공통 메커니즘으로 플라스미드(plasmid)를 실험했다. 이는 항생제 내성 유전자를 포함하여 많은 종류의 유전자를 포함할 수 있는 원형 DNA 가닥들이다. 박테리아는 심지어 종 간에도 쉽게 플라스미드를 공유한다.

 

연구진은 tetracycline 저항성 플라스미드를 갖고있는 대장균 세포와 chloramphenicol 저항성 플라스미드를 포함하는 Klebsiella 폐렴 세포로 연구했다. 이전에 항생제가 있으면 자라지 않았던 두 숙주는 처음에는 플라스미드에 대해 친화력이 높지 않았다. 항생제가 없는 환경에서 9일이 경과 후에도 플라스미드가 남아 있는 Klebsiella의 분율은 50% 미만으로 떨어졌다. 대장균의 경우 20% 미만만 플라스미드를 유지했다. 하지만 항생제 안에서 400세대에 걸쳐 성장한 균주를 항생제에 노출시켰을 때 균주는 항생제 위협이 해제된 후에도 플라스미드에 대해 더 큰 친화력을 보였다. 항생제가 없는 성장매체에 9일 동안 들어간 후 대장균과 Klebsiella 세포의 절반 이상이 각각의 플라스미드를 유지했다.

 

또한 다른 실험을 통해 항생제 노출이 MDR Klebsiella의 발생을 증가시킨다는 것을 입증했다. 항생제 노출 박테리아를 사용하여 실험을 반복했을 때 약 1,000배 많은 MDR Klebsiella를 발견했다. 진화는 항생제 저항성 플라스미드의 지속성과 Klebsiella에서의 MDR의 증가를 설명할 수 있다. 게놈에서 돌연변이를 위해 선택된 각각의 항생제에 균주를 노출시켜 플라스미드와 숙주 사이의 충돌을 최소화하는 것이다. 추가적인 실험을 통해 대장균과 Klebsiella가 플라스미드를 유지하는데 도움을 준 특정한 돌연변이와 왜 Klebsiella가 대장균보다 MDR 변종으로 더 발달할 수 있었는지 밝혀낼 수 있었다.