▲ 생물막은 미생물 군집이 사는 점액층이다. © Dr_Microbe/ iStock

 

[이미디어= 문광주 기자] 일단 인체가 생물막 생성 병원체에 감염되면 면역 체계는 일반적으로 이에 대해 무력하다. 항생제조차도 단단한 점액 기질 내에서 안정한 박테리아 군체를 거의 공격할 수 없다.

이유는 생물막의 박테리아가 개별 미생물보다 항생제에 대한 내성이 최대 1천 배 더 높다. 어떤 물질도 슬라임 층을 통과할 수 없기 때문이다. 결과적으로, 예를 들어 페니실린은 생물막에 효과가 없다. 생물막 세포는 확산에 의해 보충되는 것보다 더 빨리 항생제를 분해하는 소위 베타-락타마제를 분비해 생물막의 더 깊은 영역은 영향을 받지 않은 상태로 유지된다.

또한, 낮은 pH 값과 같이 매트릭스 내부에 많은 항생제를 비활성화시키는 조건이 있다. 생물막 거주자는 생활 방식 덕분에 스스로를 보호한다. 생물막의 박테리아는 일반적으로 신진대사가 느려서 빨리 자라지 않는다. 결과적으로 그들은 항생제 독을 천천히 그리고 적은 양으로 흡수한다. 생물막에 내장된 미생물은 자유롭게 헤엄치는 친척에 비해 항생제 내성 유전자를 보유할 가능성이 더 높다. 미생물 사이에 유전 물질을 더 쉽게 교환할 수 있기 때문이다.

불멸의 식민지
치료 공격이 성공해 생물막에 있는 박테리아 군체의 많은 부분을 죽인다 하더라도, 살아남은 미생물은 24시간 이내에 생물막을 재건할 수 있다. 이것은 항생제 내성 유전자에 의해 보호되지 않고 다른 비유전적 보호 메커니즘에 의해 보호되는 고립된 소위 ‘퍼시스터(Persister)세포’가 종종 생존하기 때문이다.

그들의 전략은?
퍼시스터(Persister) 세포는 휴면 상태로 전환하고 더 분열하지 않음으로써 불리한 조건에서 항균 내성이 된다. 약물치료가 종료된 경우에만 다시 활성화된다. 그런 다음 그들은 증식하여 새로운 생물막을 형성할 수 있다. 지속성 세포는 자유롭게 헤엄치는 박테리아에서도 발견되지만 그곳에서는 천 배나 더 희귀하므로 항생제와 싸우기가 더 쉽다.

인간에 의해 강화
생물막이 항생제에 내성이 있다는 사실은 과학자들에 의해 더욱 지식이 보강됐다. 레스터 대학의 쉐인 후세이(Shane Hussey)와 과학자들이 폐렴을 일으키는 박테리아 병원체를 사용한다는 사실을 발견했다. 이에 따르면 인공 미세먼지, 특히 공기 중의 그을음은 호흡기의 병원성 박테리아를 선호해 더 두꺼운 생물막을 형성할 수 있다. 이들은 항생제에 훨씬 더 내성이 있다.

"결과적으로 연쇄상 구균은 이 병원체에 대한 가장 중요한 항생제 중 하나인 페니실린 G에 대한 내성이 크게 증가한 것으로 나타났다"고 연구자들은 보고했다. 또한 대기 오염으로 인해 폐렴 병원체가 코에서 폐로 더 쉽게 이동할 수 있다고 연구팀은 밝혔다.

방사선 및 소독에 면역
완고한 생물막의 의학적 문제는 항생제 사용을 넘어선다. 생물막 거주자는 UV 및 X선뿐만 아니라 소독제로부터 크게 보호된다. 또한, 슬라임 매트릭스는 이미 방사성 방사선원에서 검출되었다. 결과적으로 병원 및 의료 행위의 표면 및 의료 기기는 충분히 청소할 수 없다.

또한, 바이오필름은 의료 분야 외의 중요한 영역에서도 문제가 되고 있다. 스웨덴 Lund 대학의 케서린 폴(Catherine Paul)과 동료들은 우리의 수도관에 전 세계의 유기체가 존재한다는 것을 보여주었다. 이전에 감지되지 않은 이러한 박테리아 생물막은 일반적으로 식수를 깨끗하게 유지하는 데 도움이 된다. 교란된 수질은 이 미생물 군집을 크게 변화시킬 수 있다. 검사한 물에 철분이 많이 함유되어 녹에 의해 변색된 수도관의 경우, 파이프 생물막의 종 조성이 크게 달랐다.

생물막은 재료를 '먹을' 수 있다. 미생물학적으로 유도된 이러한 부식은 예를 들어 냉각 회로, 수처리 및 상수도 시스템뿐만 아니라 발전소 또는 컴퓨터에서도 발생한다. 반면에 자외선, 염소 또는 표백석회와 같은 일반적인 제어 방법은 일반적으로 효과적이지 않다.

생물막은 식품 산업에서도 해로운 역할
오스트리아 사료 및 식품 품질, 안전 및 혁신 역량 센터(FFoQSI)의 에바 바그너(Eva Wagner)가 이끄는 연구에 따르면 모든 소독에도 불구하고 박테리아는 육류의 거의 모든 곳에서 번성한다. 연구팀은 가공 공장에서 일반적인 미생물 외에도 10개의 완고한 생물막 핫스팟을 발견했다. 이 생물막 중 5개는 고기와 직접 접촉하는 절단기 및 기타 장치에 정착했지만 물 호스 내부도 오염됐다.

예방과 제거를 위한 대책

전 세계의 보건 지도자와 과학자들은 세계에서 가장 위험한 병원체 중 항생제 내성을 세계 보건에 대한 가장 큰 위협 중 하나로 간주한다. 항생제 내성은 주로 유전적 변화에 기인하지만, 주로 성장 상태 의존적 적응 내성으로 인한 생물막의 역할과 내성이 점점 더 높이 평가되고 있다. 생물막은 세포 외 보호 매트릭스에 내장된 단일 종 및 다중 종의 미생물 군집이다. 이 성장 상태에서 박테리아는 세포외 스트레스에서 살아남기 위해 전사적으로 준비된다. 신진 대사, 조절, 표면 전하, 면역 인식 및 제거에 영향을 미치는 적응은 박테리아가 인체에서 번성하고 항생제와 숙주 면역 체계를 견딜 수 있도록 한다. 생물막은 여러 항생제에 의한 제거에 저항하며 모든 감염의 65% 이상을 일으키는 만성 감염에 중요한 역할을 한다. 특정 항생제가 개발되지 않았다. 따라서, 생물막을 직접적으로 억제 또는 근절하는 전통적인 항생제에 대한 대안이 절실히 필요하다. 숙주 방어 펩타이드(HDP)는 미생물을 직접 죽이는 동시에 면역 반응을 조절하는 기능을 하는 선천 면역계의 일부인 작은 양이온성 펩타이드이다. 특정 HDP 및 그 파생물은 생물막에 대한 광범위한 활성을 보여준다. 생체 내 생물막 분석은 농양, 호흡기, 거주 장치, 콘택트 렌즈 및 피부 감염 모델에서 효능을 보여준다. 동물 모델의 부담과 복잡한 특성을 완화하면서 인간 감염 및 치료를 더 잘 이해하기 위해 생체 외 오르가노이드 및 공기-액체 인터페이스 모델에 대한 연구를 통해 추가 진전이 이루어졌다. 이러한 길은 의료 시스템에 도전하는 만성 감염의 근본 원인을 더 잘 이해하고 치료할 수 있는 길을 열어준다.
 

▲ 항생물막 펩타이드는 생물막 관련 치료 실패를 극복했다. <출처=Antibiofilm peptides overcoming biofilm-related treatment failure>

생물막에서 박테리아의 생존 전략은 매우 효과적이다. 과학자들은 이미 생물막에 의한 감염이 발생한 경우 최초의 예방 조치 및 방제제를 개발할 수 있었고 새로운 가능성을 계속 연구하고 있다. 한 가지 출발점은 의료 기기와 기구를 청소하는 것이다. 새로운 세균이 물과 함께 재료에 침투하지 않도록 특수 멤브레인의 도움으로 물에 결합된 모든 세균을 억제하는 특수 멸균 정수 필터가 사용된다.

접착 방지 코팅
또한, 미생물이 군집을 형성하고 생물막을 형성할 기회조차 주지 않는 임플란트, 카테터 등의 코팅에 대한 연구가 진행되고 있다. "박테리아와 싸우기 위해서는 부착 과정을 막아야 한다"라고 연방 물질 시험연구소(Federal Materials Testing and Research Institute)의 쿤 렌(Qun Ren)은 말한다.

튀빙겐 대학(University of Tübingen)의 프리드리히 괴츠(Friedrich Götz)가 이끄는 연구팀은 이 목적을 위해 코팅된 표면을 개발했다. 그 표면에서는 동물의 모피와 유사한 실과 같은 구조가 돌출되어 있다. 사실, 초기 시도에서 미생물은 스스로 부착하는 데 어려움을 겪었다. 그러나 연구자들이 신체의 자연 환경을 시뮬레이션하기 위해 모피 같은 표면을 혈액으로 덮었을 때 유기체가 면역 글로불린과 같은 혈액 성분에 결합할 수 있었기 때문에 박테리아 카펫이 다시 자랐다. 그러나 Götz와 그의 팀이 미리 박테리아를 면역 글로불린으로 처리하면 그들의 수용체가 점유되어 표면의 혈액 성분에 더 결합할 수 없었다.

나노 '은' 생물막을 억제한다. 은 나노 입자로 만든 임플란트 코팅은 적어도 동물 모델에서 이미 성공적이었다. 은은 살균 효과로 알려져 있으며 나노 입자 형태로 더 큰 표면 대 부피 비율로 인해 은 자체보다 더 잘 작동할 수 있다. 따라서 박테리아 Staphylococcus epidermidis에 의한 생물막 형성은 테스트에서 95%까지 감소될 수 있었다.

라이프니츠 신소재 연구소(Leibniz Institute for New Materials)의 연구원들은 유사한 것을 발견했다. 은 및 구리 콜로이드를 사용한 항균, 내마모성 코팅이 장기간 안정적으로 세균을 죽이고 새로운 세균이 번식하는 것을 방지한다.

또 다른 연구팀은 아실라아제 효소와 폴리에틸렌이민 분자의 도움으로 의료용 카테터용 항균막 표면을 한 겹씩 도포한 실리콘 스트립을 테스트했다. 실제로, 박테리아의 부착은 최대 24시간 동안 효과적으로 억제될 수 있었다.

박테리아에 대한 바이러스
이미 미생물 생물막에 감염되어 있더라도 약제를 사용할 수 있다. 예를 들어 파지-박테리아를 공격하고 용해시키는 바이러스다. 그들은 숙주 특이성이 높기 때문에 특정 미생물에 대해 특이적으로 사용될 수 있고 또한 비활성 세포를 공격하여 반복 감염을 담당하는 지속성도 파괴된다.

다중 감염 및 알려지지 않은 병원체의 경우, 파지의 숙주 특이성이 불리할 수 있다. 또한 박테리아가 파지에 대한 내성을 발달시키거나 파지가 제어할 박테리아에 내성 유전자를 전달할 수 있다. 이것이 유전 물질을 세균 게놈에 통합하지 않은 파지만이 치료에 사용될 수 있는 이유다.

기존 생물막을 파괴할 수 있는 또 다른 가능성이 우한의 후와즈홍 대학교(Huazhong University)의 신페이 루(Xinpei Lu)와 함께 일하는 연구원들에 의해 발견됐다. 그들은 낮은 압력의 가스에서 레이저 펄스에 의해 대부분 생성되는 낮은 이온화 수준의 저온 플라즈마를 사용했다. 이 플라즈마의 고에너지 전자가 주변 공기의 분자에 부딪히면 부분적으로 이온화되고 하이드록실 이온과 같은 반응성이 높은 새로운 화합물이 생성된다. 플라즈마는 입방 센티미터당 수십억 개의 자유 라디칼을 생성할 수 있다. 이것은 완고한 생물막에 있는 병원체조차도 현재의 방법으로는 거의 도움이 되지 않는 사멸될 수 있음을 의미한다.

매트릭스 파괴
또 다른 출발점은 생물막의 세포외 기질이다. 그것이 파괴되면 박테리아의 가장 중요한 보호 기능이 상실된다. 이에 대한 한 가지 가능성은 특수 효소를 사용하는 것이다. Actinobacillus actinomycetemcomitans에서 파생된 Dispersin B는 특정 박테리아 생물막에서 발견되는 매트릭스 구성 요소를 절단하고 생체 내 및 시험관 내에서 생물막을 용해할 수 있는 효소다. 그러나 잠재적인 면역 반응으로 인해 효소의 생체 내 사용이 항상 가능한 것은 아니다.

생물막에서 박테리아를 함께 묶는 렉틴을 파괴하는 것도 효과적일 수 있다. "렉틴은 생물막의 구성 요소를 네트워크로 연결한다"고 자르브뤼켄에 있는 Helmholtz Institute for Pharmaceutical Research의 알렉산더 티츠(Alexander Titz)가 설명했다. 일단 분리되면 생물막 거주자는 면역 체계나 항생제에 다시 취약해진다. Titz는 그의 연구팀과 함께 위험한 세균 슈도모나스(Pseudomonas aeruginosa)의 생물막 형성을 억제하는 렉틴 차단 분자를 개발했다. 그리고 박테리아 간의 소통인 정족수 감지를 방해하는 활성 성분은 생물막의 안정성을 감소시킬 수 있다. 이를 위한 기금 마련을 위한 연구가 이미 진행되고 있다.

생물막 킬러로써의 박테리아
이미 유망한 이러한 방법 외에도 싱가포르 난양 공과대학의 장욱이 이끄는 연구원은 생물막에 대한 또 다른 특이한 전략을 개발했다. 즉, 치명적인 Pseudomonas aeruginosa 세균을 사냥하는 방식으로 무해한 장내 세균을 유전자 변형했다.

연구원들은 유전자 공학 방법을 사용하여 조작된 "도우미"의 센서와 무기를 처음부터 구성한 다음 운반체로 장내 세균에 이식했다. 실험실 테스트에서 이러한 인공적으로 생성된 "살균 박테리아"는 내성 세균과 생물막에 대해 매우 효과적인 것으로 입증되었다.

세균에 대한 가정 요법
생물막에 대항하는 또 다른 놀라운 무기는 중세 시대의 약이다. Warwick 대학의 제시카(Jessica Furner-Pardoe)와 동료들의 실험에 따르면 이 약은 황색포도상구균과 같은 병원성 박테리아를 효과적으로 죽이고 미생물 생물막에 대해 작용한다. 놀라운 점은 천년 된 안연고는 마늘, 양파, 포도주, 소담즙으로만 구성돼 있다. 이러한 성분은 개별적으로는 거의 효과가 없지만 함께 사용하면 예기치 않게 효과적이다. 그리고 또 다른 가정 요법이 감염 예방에 효과적이라고 한다. 사우스햄프턴(Southampton) 대학의 바쉬르 엘왈리드(Bashir Lwaleed)와 팀이 연구한 바에 따르면, 다크(dark) 마누카 꿀은 항균력이 높을 뿐만 아니라 생물막을 예방하는 데도 도움이 될 수 있었다. 매우 묽은 꿀 용액조차도 플라스틱에 대한 박테리아 필름의 접착력을 감소시키고 성장을 방해했다.

암 치료와 산업용으로 응용

바이오필름 활용법
연구는 세균성 생물막에 대한 활성 성분에 대해서만 수행되는 것이 아니다. 과학자들은 새로운 활성 성분과 기술을 위해 생물막과 그 안에서 자라는 박테리아 군체의 산물을 사용하려고 노력하고 있다. 일부 지역에서는 이미 사용되고 있다.

박테리아 무기 변환
브라운슈바이크(Braunschweig)에 있는 헬름홀츠 감염 연구 센터(HZI)의 카르스텐 매츠(Carsten Matz)와 그의 동료들은 슬라임 매트릭스의 박테리아 콜로니가 아마도 의료 목적으로 우리 면역계의 식세포에 대해 사용하는 화학 무기로 사용하는 방법을 찾고 있다.

이러한 물질은 수면병이나 말라리아와 같은 감염을 일으키는 단세포 기생충과 같은 특수한 종류의 병원체와 싸울 가능성이 있다. 이 병원체는 어떤 면에서 우리 면역계의 식세포와 유사하며 아마도 생물막 무기로 치료할 수 있다. "이는 생물막이 더 문제가 아니라 새로운 활성 성분의 원천이 될 수 있음을 의미한다"며 "그들은 개별 박테리아에서 발견되지 않는 매우 효과적인 물질을 군집에서 생성한다고 매츠는 결론 지었다.

생물막은 암 치료에도 유용할 수 있다. 브라운슈바이크 헬름홀츠 감염 연구 센터(HZI)의 또 다른 연구팀은 살모넬라 박테리아가 종양으로 이동하고 생물막 공동체로서 종양 세포를 효과적으로 죽인다는 것을 발견했다.

 

산업적으로 사용
생물막은 수십 년 동안 산업계에서 효과적으로 사용됐다. 가장 잘 알려진 예 중 하나는 식초 박테리아의 도움으로 식초를 생산하는 것이다. 이들은 알코올 함유 액체나 나무 조각에 찌꺼기로 침전되어 에탄올을 아세트산으로 전환시키는 생물막을 형성한다.

그리고 세포외 점액층에 있는 미생물을 청소용으로도 사용한다. 예를 들어, 폐수 처리에서 박테리아는 단단한 표면에 결합돼 수질 오염 물질이 그곳에 축적되고 미생물이 먹는다. 또한 생물막은 수로에 우라늄과 같은 독성 중금속을 보유함으로써 정수 공정을 위한 천연 필터를 형성할 수도 있다. 생물막은 또한 폐기물을 식민지화하고 분해하여 생물학적 폐기물 처리를 가능하게 한다. 그리고 유출된 기름과 같은 토양 오염 물질도 해당 미생물에 의해 분해될 수 있다.

라이프치히 대학(University of Leipzig)의 카타리나 프레이스타인(Katharina Freystein)과 함께 일하는 식물학자들은 나무에 정착하는 조류의 명확하게 보이는 녹색 생물막을 사용한다. 그들은 공기가 미세 먼지로 가득 찬 곳에서 녹지가 특히 잘 번성한다는 것을 발견했다. 즉 조류의 양과 종류에 따라 미세먼지의 발생을 유추할 수 있다.

 

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