| T4 박테리오파지를 나타낸 모식도 |
| 지구상에서 가장 치명적인 존재 - 박테리오파지[1] |
1. 개요
enterobacteria phage이름을 들으면 세균일까도 싶지만, 바이러스의 한 종류다. 이름인 박테리오파지는 βακτηρία(지팡이)+φάγος(먹는 자)로 지팡이를 먹는 자, 풀어쓰면 세균 포식자이다. 이름 그대로 박테리오파지가 숙주로 삼을 수 있으며 특정 유전자를 가지고 있는 세균을 공격하는 바이러스인데, 실제로는 세균보다도 매우 작기 때문에, 세균을 잡아먹는건 아니고 숙주로 삼아 생명활동을 하는 것이며, 파지에 감염된 세균은 파지에게 속수무책으로 이용만 당하게 된다.[2] 생물학계에서는 보통 짧게 줄여서 "파지" 라고 한다[3].
2. 설명
| 박테리오파지 증식 과정을 구현한 애니메이션 |
흔히 알려진 모양을 기준으로 다리가 달린 몸통처럼 생긴 건 몸통이 아니라 꼬리이고, 진짜 몸통은 위의 다면체이다. 모든 파지가 다 위 사진처럼 생긴 것은 아니고, 엔빌롭이 없는 정이십면체 바이러스같이 생긴 파지도 있다. 그 밖에 길쭉하게 생긴 녀석도 있고... 연구용으로 쓰는 파지만 해도 거의 20여 개다. 저 흔히 알려진 모습의 파지는 바이러스보단 나노머신이나 로봇을 닮아서인지 생물학 전공이 아닌 그냥 일반인들에게도 매우 유명하다. 이름은 몰라도 모양을 보면 "아, 이거" 하고 알아볼 정도.
박테리오 파지 T4의 조립 과정
세균은 지구상 대부분의 지역에 분포하며 서식하지만, 야생 상태에서의 세균이 배지에서처럼 창궐하지 못하는 원인 중 하나가 진균류 등의 항생물질에 의한 저해뿐만 아니라 박테리오파지의 공격적인 생명활동 때문일거라 짐작되고 있다.
3. 파지 요법
그래서 21세기 초에는 항생제의 내성으로 인해 박테리아 질환 치료가 불가능해질 경우 많은 인명피해가 우려되고 있는데(항생제 아포칼립스), 이를 해결하기 위해 박테리오파지를 항생제 대용으로, 혹은 함께 쓰는 방안도 연구 중이다. 박테리오파지의 특성은 숙주세포가 지닌 "세포 특이성"에 반응하여 용균성 생활사를 일으킨다는 점에 있기 때문에 사람에게 무해하도록 조정할 수 있기에, 차세대 바이오 의약품 제조의 열쇠가 될 수 있기 때문이다. 좀 더 풀어 이야기하자면, 숙주세포가 가진 세포막 지질의 특징을 이용하여 파지의 다리가 숙주세포의 세포막 표면에 고정시키고, 다리가 제대로 고정된 파지에서 DNA가 주입된 후, 숙주세포의 방어기작에 의해 파지의 DNA가 분해되더라도 파지DNA의 복제를 위하여 특정 프로모터가 포함된 중합효소를 가지고 있어야만 숙주세포 내에서 파지의 용균성 생활사를 돌릴 수 있다는 것이다.파지가 가진 세포 특이성에 의하여 일어나는 일련의 용균성 생활사로 인하여 몇몇 세포에 대해서는 가히 세포 킬러급의 칭호를 얻고 있다. 하지만 항생제에 비해 내성이 생기기 어렵지만 박테리아는 파지에도 내성을 기를 수 있다[6]. 다만 파지에 대한 내성을 키울 경우, 반대로 항생제에 취약해진다고 하며, 그 반대도 성립한다고 한다. 그러므로 세균 표면의 수용체가 항생제 내성이 있는 변이형태로 변하면, 그 변이된 수용체와 결합하여 세균을 감염시키는 파지를 항생제와 함께 투여하는 것으로, 일반 세균은 항생제로 죽이고 내성 세균은 파지로 죽이는 수가 생긴다. 지금까지 지구에서 얼마나 특이한 진화가 일어났는지 생각해보면 언젠가는 이 둘다에 대한 내성을 가진 박테리아가 등장 할 수 도 있겠지만, 항생제는 물론이고 파지또한 가만있는게 아니라 같이 진화하기 때문에 내성문제는 사실상 해결이나 마찬가지.[7] 또한 항생제와 달리 특정 박테리아만 공격한다는 것이 장점이지만[8] 파지의 크기가 100~200nm정도로, 약리물질의 크기보다 수십만~수백만 배 이상 크며 이로 인해 단위면적당 함유량이 약리물질에 비해 압도적으로 적다. 이러한 문제 때문에 범용적으로 쓰기 어렵다는 단점이 존재한다. 하지만 세포 특이성으로 인하여 인체의 안전성이 어느 정도 확보될 수 있기에 구소련에서는 2차 대전 때부터 관련 연구를 활발히 해왔으며 실제로 사용도 제법 했다. [9] 그리고 약리물질은 소모되면 끝이지만 파지는 세균을 이용해 증식하므로 세균을 죽이면 더 많은 파지가 태어나서 더 많은 세균을 죽이기 때문에 균이 많다면 파지들의 연쇄효과를 통해 적은 양으로도 큰 효과를 볼 수 있다.
4. 역사
1915년 영국 브라운동물연구소의 미생물학자 프레드 트워트(Frederick William Twort)가 포도상구균을 배양하다가 세균의 번식을 억제하는 물질을 발견했다. 트워트는 자신이 발견한 물질을 용균제라고 명명했으나 그 실체는 몰랐다.1917년 프랑스 파스퇴르연구소의 미생물학자 펠릭스 데렐(Félix d'Hérelle) 역시 비슷한 현상을 발견하고는 박테리오파지(Bacteriophage)라고 명명했다.
1930년대에 전자현미경이 발명되면서 박테리오파지의 실체도 밝혀졌다.
1952년 단백질과 핵산 중에서 핵산이 유전 물질임을 밝히는 알프레드 허시(Alfred Day Hershey)와 마사 체이스(Martha Cowles Chase)의 실험에서 박테리오파지가 쓰였다.
1972년 벨기에의 월터 피어스(Walter Fiers) 연구팀이 박테리오파지 MS2의 피막단백질 유전자를 해독하는 데 성공했고 1976년에는 MS2의 RNA 게놈을 완전히 해독했다.
1982년에는 프레더릭 생어(Frederick Sanger)가 생어해독법을 이용하여 람다파지 게놈을 해독했다.
[1] 쿠르츠게작트의 영상.[2] 모든 바이러스의 공통적인 생활사이다. 본인들에게 특화된 방법으로 각종 생명체들의 세포에 기생해서 에너지원과 번식할 장소를 얻는 것. 사람이 인플루엔자등 바이러스에 감염되어 시름시름 앓다가 심하면 죽을 수도 있는 것 처럼, 파지는 세균에게만 작용하는 바이러스라고 생각하면 된다.[3] 다만 의학계에서는 매크로파지를 파지라 부른다.[4] 이때 박테리오파지는 희생양이 된 박테리아의 막을 분해시키는 단백질을 분비하여 천천히 막을 녹이고, 약해진 막이 내부의 압력을 버틸 수 없게 되는 순간 말 그대로 폭발해서 터져 죽게 된다.[5] 이를 유전자 재조합 또는 변형 기술에 응용하기도 한다. 형질도입(transduction)[6] 애초에 과학자들은 인체에 공생중인 조단위의 바이러스 대부분이 파지일 것으로 추정하고 있다. 최소한 장내는 95%이상이 파지라는 게 중론. 따라서 파지에 내성이 없는 박테리아라면 애초에 사람을 감염시킬 수도 없을 것이다.[7] 애초에 박테리아의 생활사가 인간이 항생제를 개발하는 시간보다 훨씬 짧기 때문에 시간싸움에 있어서는 박테리아 쪽이 이미 유리하다. 그럼에도 불구하고 항생제라는 물질이 진화따위 일어나버리기도 전에 박멸시켜 버리기에 힘의 균형이 어느정도 맞아왔던 것. 다만 그런 극한의 상황 속에서도 결국 적응해낸 몇몇 개체들은 반드시 존재하고, 그들이 체외로 반출되는 사례가 영겁의 시간을 거쳐 조금씩 조금씩 누적되다보면 항생제의 범용성으로 커버되던 진화의 시간차가 무너질 것이 거의 확실시 되기 때문에 다른 대항 수단의 개발이 강구되던 것이다. 그런 상황에서 항생제와 전혀 다른 방식으로 작동함에도 항생제와 비슷한 성능, 심지어는 더 적은 부작용을 기대해볼 수 있는 박테로오파지의 가능성은 박테리아에 대항해야만 하는 입장에서 꽤나 특별하고도 귀중하다.[8] 항생제를 복용하고 간혹 설사를 하는 이유는, 항생제가 장내세균을 전부 학살해버려 장내 균형이 깨지기 때문이다.[9] 구공산권의 경우 내성균에 사용할 강력한 항생제가 부족한지라 대안으로 파지를 연구한 까닭이 컸다. 냉전 때문에 1세계 거대 제약회사 들이 새로 개발한 반코마이신 같은 강력한 항생제의 수입 및 생산 쉽지 않았는지라 대체제에 대한 연구를 많이 하게 된 것이다.