A single gene of a commensal microbe affects host susceptibility to enteric infection
Nat. Commun., 7, 11606 doi: 10.1038/ncomms11606

Q. 선정된 연구성과의 내용과 의의는 무엇인가요?

저희 연구실에서는 병원성세균에 의한 장내 감염 (intestinal infection) 기작에 관한 연구를 진행하고 있습니다. 콜레라의 원인 세균인 Vibrio cholerae를 모델 세균으로 실험을 진행하고 있는데, 장내에 많은 수로 존재하고 있는 공생미생물들이 장내 감염과정에 중요한 역할을 담당할 것이라는 생각을 하게 되었습니다. “숙주-미생물 상호작용”은 오랜 기간 동안 의학미생물학의 중요한 연구 주제였는데, 저희는 이 개념을 확장하여 “숙주-병원성세균-공생미생물” 다중 상호작용 연구를 진행하고자 하였습니다. 본 논문은 마우스에서 (낮은 농도의 항생제 처리를 통해) 장내 공생미생물의 분포 변화가 유도되었을 때, 콜레라균의 감염이 보다 심하게 일어난다는 관찰로부터 시작되었습니다. 이 후에 (i) 특이 유전체형을 보이는 대장균 (atypical E. coli, atEc 라고 명명함)의 분포가 폭발적으로 증가되어 있음을 알게 되었고, (ii) atEc 가 인위적으로 이식된 마우스 장에서 콜레라균의 정착과 증식이 용이하게 일어나며, (iii) atEc 의 유전체 정보를 통해, atEc가 놀라운 catalase 활성을 가지고 있으며, (iv) catalase 활성이 제거된 atEc mutant가 이식된 경우에는 콜레라균의 감염 증가가 발생하지 않음을 밝혀내었습니다.

이전의 많은 연구를 통해 장내공생미생물이 병원성세균에 의한 감염을 억제하는 일종의 buffering 효과를 주고 있음을 알고 있었으나, 본 연구를 통해, 공생미생물 균총 중의 특정 species, 더 나아가 그 species의 단일 유전자 산물에 의해 병원성세균의 감염이 영향을 받을 수 있음을 보고한 것이 가장 큰 의의입니다.

Q. 해당 연구분야의 최신 연구의 흐름은 어떤가요?

A. Funtioncal Metagenomics
인간 장내에 존재하는 공생미생물이 각종 질환 및 건강과 관련된 핵심적 지표가 되고 있음이 활발히 밝혀지고 있습니다. 차세대염기서열분석(NGS)을 통한 공생미생물 군집의 변화 추이를 확인 하는 실험 또한 매우 광범위하게 진행되고 있습니다. 하지만, 이러한 접근은 특정 외부 자극에 의해 유도된 결과만을 현상적으로 보여주는 것으로, 실제 장내에서 발생하는 현상을 정확히 밝혀내기에는 많은 제약이 있다고 생각합니다. 더 나아가, 공생미생물 군집의 변화 추이를 species level 에서 정확히 규명하는 것이 어렵고, 동일한 species로 동정된 공생미생물 종도 분리된 숙주가 과거 처해 왔던 환경에 따라 다른 유전체형 및 (그로 인한) 표현형을 보이는 경우가 많습니다. 이러한 사실은 탐구하고자 하는 생물학적 현상의 이해를 위해 (i) 특정 이름의 미생물이 얼마나 분포하는 지를 파악하는 것이 사실은 큰 도움이 되지 않을 수 있음을 의미하며, (ii) 공생미생물 유전자들(metagenome)이 특정 외부 자극에 대하여 어떠한 발현의 변화를 보이는지를 이해하는 것이 보다 중요함을 뒷받침하고 있습니다. 이러한 관점에서 앞으로 마이크로바이옴 관련 연구는 공생미생물들이 가지고 있는 유전자들의 기능을 밝히는 소위 “functional metagenomics” 연구가 중요한 흐름을 이룰 것으로 생각합니다.

B. Microbiota Re-shaping
지금까지의 많은 연구들로 인해 어떤 공생미생물 균주들이 인체에 유익한 기능을 보이는지에 대한 이해가 확대되었습니다. 앞으로는 우리가 원하는 방향으로 복잡한 공생미생물균총의 분포 변화를 유도할 수 있는 “microbiota re-shaping”의 연구가 활발히 진행될 것으로 기대합니다. 이를 위해서는 보다 많은 공생미생물균주들을 배양할 수 있어야 하며, 유익한 균주들의 선택적 성장을, 그리고 별로 유익한 기능이 없는 균주들의 선택적 성장 억제를 유도할 수 있는 기술에 대한 공부가 필요할 것으로 생각합니다.

Q. 함께 진행한 연구진의 소개를 부탁합니다.

저희 연구실은 연세대학교 의과대학 미생물학과에 소속되어 있습니다. 3명의 박사후연구원, 7명의 대학원생으로 구성되어 있습니다. 연구실의 주된 연구주제는 (i) Pseudomonas aeruginosa에 의한 호흡기 감염기작 이해, (ii) V. cholerae에 의한 장내 감염기작 이해, (iii) Microbiome Functional Metagenomics입니다. 본 연구를 주도한 윤미영 박사는 현재 Delaware State University에서 research associate로 일을 하고 있으며, 다시 연구실로 복귀할 예정입니다. 이강무 박사는 녹농균 관련 연구 및 공생미생물 유전체로부터 얻은 DNA 서열들을 이용한 functional metagenomics 스크리닝을 진행하고 있습니다. 그리고 오영택 박사는 현재 University of Colorado 미생물학과의 Pukatzki 박사님 연구실에서 파견연구를 진행하고 있습니다. 이번에 고준혁, 이기훈 학생이 박사학위를 받습니다. 2종류의 서로 다른 병원성세균을 이용하여 연구하고 있지만, 이들의 감염기전을 배타적이 아니라, 통합적, 상승적으로 이해할 수 있는 연구 환경을 함께 조성하고 있습니다.

사진. 연구실 사진

Q. 현재 해당 연구분야의 한계는 무엇인지, 향후 연구방향과 계획이 궁금합니다.

마이크로바이옴 연구는 매우 방대한 스케일의 정보 창출이 가능하지만, 아직 공생미생물 유래 유전자들에 대한 서열 검색이 어렵습니다. 현재까지 16S rRNA 유전자 서열에 대한 DB 구축을 위해 많은 노력이 집중 되었던 것이 주된 이유라고 생각합니다. 공생미생물 유래 임의 DNA 절편 서열을 BLASTN 검색을 하게 되면, 입력한 DNA 서열이 어떤 균주의 어느 유전자 서열인지를 명확히 파악하기가 어렵습니다. 이런 이유로 몇몇 whole genome sequence가 밝혀진 대표적 공생미생물 균주들을 이용하여 제한된 조건에서 실험이 진행되고 있습니다.

향후 functional metagenomics 연구를 위해선 가능한 한 많은 공생미생물 균주의 유전자 서열정보가 필요합니다. 이를 위해 생물정보학, 미생물 생리학, 미생물 생태학등을 연구하는 과학자들의 협력 노력이 꼭 필요합니다.

Q. 평소 연구주제에 대한 선택과 아이디어를 어떻게 얻으시는지?

저는 학생들과 자주 이야기를 나누는 편입니다. 학생들에게 고민을 하게 유도하고, 이러한 노력을 통해 혼자 고민했을 경우에 떠오르지 않았던 새로운 생각들을 하게 됩니다. 이는 매우 기분 좋은 경험이며, 이러한 사고의 전개를 연구실 구성원 모두가 경험할 수 있도록 유도합니다. 과학자들이 늘 본인의 결과를 이야기하고 남의 결과를 들어야 함을 학생들이 배우고 있습니다.

Genetic clue를 찾게 되었을 때, 매우 쉽게 이야기를 풀어나갈 수 있음을 자주 경험합니다. 최근에는 whole genome sequence 정보를 먼저 알고 phenotype을 이해하는 reverse genetic 접근을 많이 시도하고 있습니다만, 여전히 특정 phenotype을 보이는 mutant를 찾아낸 이후에, 어느 유전자가 결손이 생겼는지를 찾아내는 forward genetic 접근을 많이 하고 있습니다.

Q. 과학자로서 연구 활동 중 아쉬운 점이나 우리의 연구 환경 개선에 관한 의견이 있으시다면?

젊은 과학도들이 별로 행복해 보이지 않습니다. 대학원 진학이 매우 기쁜 일이 되며, 대학원에 서로 오고 싶어 하는 분위기가 만들어 지면 좋겠습니다. 학위 취득 후에도 어렵지 않게 포지션을 구할 수 있는 연구 환경 마련을 위해 정부의 정책적 고민과 지원이 필요하다고 생각합니다. 최근 들어 학문 후속세대 양성을 위한 연구재단의 지원이 증가하고 있으며, 매우 의미 있는 일이라 생각합니다. 30대 초, 중반의 박사님들이 안정적으로 일할 수 있는 계기가 빠른 시일 안에 만들어 지길 희망합니다.

Q. 같은 분야를 연구하려는 학생/후학들에게 도움이 되는 말씀을 부탁드립니다.

NGS를 통한 염기서열 분석 기술의 발전이 많은 새로운 일들을 가능하게 하고 있습니다. 개인적으로 저는 미생물학이 NGS의 혜택을 가장 크게 보고 있는 학문이라 생각합니다. 동시에, 마이크로바이옴 연구를 통해 미생물학은 새로운 전기를 마련하고 있습니다. 앞으로 활발한 연구가 지속될 것으로 굳게 믿습니다.

동시에, 여전히 병원성세균의 감염은 의학적으로 중요하며, 항생제 내성 균주의 출현을 통한 감염 제어의 어려움은 큰 문제가 될 것이 확실합니다. 감염 제어를 위해 항생제에 의존하지 않으려는 연구 방향의 전환이 필요하며, 이를 위해서는 병원성세균들의 여러 병원성 특징들을 분자 수준에서의 이해해야 합니다.

앞으로 미생물학의 중요성은 더욱 증대될 것이며, 많은 인력 배출이 필요한 학문으로 새롭게 자리매김할 것으로 확신합니다.

Q. 그 외 추가하고 싶은 말씀 또는 바람이 있다면?

저희 연구실 박사님들과 학생들에게 고마움을 전하고 싶습니다. 많은 한계와 제약이 있지만, 그리고 그리 밝은 미래가 기다리고 있지 않지만, 과학자로서의 긍지와 기쁨을 잃지 않기를 바랍니다.

< 2016 국내 바이오 연구성과 Top 5's는 Cell Signaling Technology의 후원으로 진행되었습니다. >

관련 사이트 : 2016 국내 바이오 성과ㆍ뉴스 Top 5's, 한빛사 등록 논문

인터뷰에 응해주신 윤상선 교수님께 감사의 말씀을 드립니다...BRIC