박테리아성 점액에 대한 천연 활성 성분
식물 스트레스 분자는 박테리아 생물막 형성을 방지한다.
천연 거담제:
천연 분자가 위험한 생물막(Biofilm)과 싸우는 데 도움이 될 수 있다. 연구자들이 우연히 발견한 바에 따르면, 일부 식물과 박테리아가 생성하는 이 활성 성분은 박테리아가 끈적끈적한 생물막을 형성하는 데 필요한 털을 생산하는 것을 막는다. 이번 발견은 장래에 박테리아 바이오필름이 형성되는 것을 막는 데 도움이 될 수 있으므로, 의료 기기와 파이프를 세균 없는 상태로 유지하는 것이 더 쉬워질 수 있다.

▲ 박테리아 균주의 현미경 이미지. 위: 평소처럼 섬모를 생산하는 박테리아. 아래: 더 이상 섬모를 생성하지 않는 높은 MEcPP 함량을 가진 박테리아. © Jingzhe Guo/UCR
일부 미생물은 털과 같은 구조인 섬모(fimbriae)에 붙어서 끈적끈적한 생물막을 형성할 수 있다. 캘리포니아 대학교 리버사이드 캠퍼스의 수석 저자인 카타윤 데헤시는 "생물막은 박테리아나 곰팡이와 같은 미생물 군집으로, 서로 뭉쳐서 표면에 보호층을 형성한다"고 설명했다. 예를 들어, 우리가 이를 충분히 깨끗이 닦지 않으면 이런 일이 우리 치아에도 일어난다.
생물막으로 인한 건강 위험
"생물막은 많은 생태계의 자연스러운 부분이지만 심각한 문제를 일으킬 수 있다"고 Dehesh는 말했다. 생물막의 구성 요소는 관련 미생물을 항생제와 세척제로부터 보호하므로, 소독 및 감염 치료가 더욱 어려워진다. 병원균으로 구성된 생물막은 카테터와 임플란트와 같은 의료 기기뿐 아니라, 식품 산업의 파이프와 다른 구성품에도 지속될 수 있다. 이는 시스템을 막고 부식시킬 뿐만 아니라, 인간의 건강을 위협한다.
생물막은 종종 환경에 해로운 공격적이고 비싼 화학물질을 사용하여 제거된다. 그러나 이러한 약물은 부분적으로만 효과가 있으며, 시간이 지나면서 박테리아가 약물에 적응하여 약물이 효과가 없게 될 수 있다.
일반적인 자연 분자가 생물막(바이오필름)을 방지한다
데헤시와 그녀의 동료인 징저 궈가 이끄는 팀은 이제 바이오필름 형성을 막을 수 있는 더 온화한 활성 성분을 발견했다. 이를 위해 생물학자들은 메틸에리트리톨 사이클로디포스페이트(MEcPP;Methylerythritol cyclodiphosphate)의 역할을 조사했다. 이 분자는 다양한 식물에 의해 생성되며 자연적인 식물 대사의 일부일 뿐만 아니라 상처가 났을 경우 스트레스 신호와 보호 반응의 일부이기도 하다.
또한 대사 분자는 수많은 박테리아에서 발견된다. 원래 궈의 팀은 MEcPP가 박테리아에서도 스트레스 기능을 가지고 있는지만 알아내고 싶었다. 실험 결과 이는 확인되었지만, 놀랍게도 스트레스 반응으로 대량의 MEcPP를 생성하는 대장균은 생물막을 거의 형성하지 않는다는 사실도 밝혀졌다.

▲ 패널은 분석된 세포의 대표적인 AFM 이미지를 보여준다. 흰색 화살표는 섬모 클러스터를 가리키고 흰색 별표는 편모를 나타내며, 척도 막대는 2µm를 나타낸다. (출처:관련논문 Published: 21 November 2024 / An evolutionarily conserved metabolite inhibits biofilm formation in Escherichia coli K-12 / nature communications)
섬모가 없으면 생물막이 없다.
연구원들은 이 현상의 진실을 밝히기 위해 9천 개 이상의 대장균 돌연변이체의 성장을 분석하고 MEcPP에도 불구하고 생물막을 형성하는 박테리아를 찾아보았다. 연구팀은 해당 표본에서 실과 같은 섬모를 생성하는 데 필요한 유전자를 박테리아 DNA에서 찾아냈다. 이러한 세포 부속기관이 없다면 바이오필름도 존재할 수 없다.
궈와 그의 팀은 fimE라는 유전자를 발견했다. 이는 섬모 생성을 중단시키는 단백질을 암호화한다. 연구팀은 이 유전자의 활동성이 높을수록 박테리아가 형성하는 섬모와 생물막이 줄어든다는 것을 발견했다.
하지만 fimE의 유전자 활동이 정말로 스트레스 분자 MEcPP와 관련이 있을까? 연구진은 MEcPP의 결합 파트너를 식별하는 데 사용할 수 있는 질량 분석기 실험을 통해 이를 테스트했다. 실험 결과, 활성 성분인 MEcPP가 억제제인 H-NS에 결합한다는 것이 밝혀졌다. 무엇보다도 fimE의 발현을 차단하는 것으로 알려져 있다. 또한 MEcPP와 결합하면 H-NS는 해당 유전자를 방출하고, 이로 인해 이전에 발견된 바와 같이 섬모 생성이 억제된다.
식물성 성분을 사용한 깨끗한 소재
Guo는 "MEcPP는 초기 단계에서 부착을 방해함으로써 박테리아가 바이오필름을 형성하는 능력을 본질적으로 무력화한다"고 말했다. 그러므로 천연 활성 성분은 장래에 의학 및 산업계에서 표면을 세척하는 데 도움이 될 수 있다. "우리의 발견은 다양한 산업에서 바이오필름 예방 전략에 영감을 줄 수 있다. 더 깨끗한 물 시스템부터 더 나은 치과 관리 제품까지, 그 가능성은 무궁무진하다.“
후속 연구를 통해 장내 박테리아인 대장균 외의 다른 박테리아 종도 이러한 메커니즘을 가지고 있는지가 밝혀질 것이다. MEcPP와 같은 식물 및 박테리아 스트레스 분자가 자연에서 생물막 생성을 억제하는 이유는 아직 명확하지 않으며 추가 조사가 필요하다. 궈의 팀은 섬모가 없는 박테리아가 화합물에서 더 쉽게 분리될 수 있을 것이라고 추측한다. 이를 통해 스트레스의 근원으로부터 더 쉽게 벗어날 수 있고, 생활 공간과 스트레스 해소 물질을 놓고 경쟁하는 것을 줄일 수 있다.
(Nature Communications, 2025, doi: 10.1038/s41467-024-54501-w)
출처: University of California – Riverside