유전자 조작으로 항생제 생산성을 높인 박테리아, 정수처리 후에도 살아남아 물속 항생제 내성 확산 촉진

환경 연구 동향  | 앨지닥터

상하이교통대학교 연구진이 Water Research에 발표한 연구는 고수율 합성 항생제 생산균(유전자 조작 등을 통해 원하는 기능을 갖도록 설계한 미생물)인 Streptomyces lividans LJ1018이 상수원에서 정수처리를 거쳐 상수도 배관의 생물막까지 어떤 영향을 남기는지 조사했습니다. 실험실에서 정수처리 전 과정을 재현한 결과, LJ1018은 완전히 제거되지 않았고 처리수에서 액티노마이신 D(Act-D) 생산 기능도 유지했습니다. 상수도 배관 표면의 생물막에서는 항생제 내성 유전자의 수평 전달 빈도가 부모 균주 조건보다 2.62배 높았습니다. 연구진은 이를 상수원부터 상수도 배관까지 이어지는 고수율 합성 항생제 생산균의 생물안전 위험을 체계적으로 평가한 첫 증거로 제시했습니다.

살아 있는 항생제 생산균이 만드는 지속적인 내성 위험 

합성생물학은 세균의 유전자 회로를 바꿔 의약품이나 화학물질을 더 많이 만들도록 설계할 수 있습니다. 그러나 살아 있는 세포는 한 번 배출되고 끝나는 화학물질과 달리 이동하고 증식하며 환경과 상호작용할 수 있습니다. 따라서 공학 미생물을 이용할 때는 생산 성능뿐 아니라 외부 환경에서의 지속성, 기능 제어, 생물학적 봉쇄를 함께 살펴야 합니다. [배경 1]

항생제 농도가 대부분의 세균을 죽일 만큼 높지 않아도 내성균이 살아남고 늘어나는 데 유리한 환경을 만들 수 있습니다. 경쟁 실험에서는 감수성 세균의 최소억제농도보다 수백 배 낮은 농도에서도 내성 세균이 더 유리하게 살아남을 수 있었습니다. 물속에 살아남은 항생제 생산균이 항생제를 계속 내놓는다면, 미량이라도 일회성으로 남아 있는 항생제와 달리 내성균의 확산을 지속적으로 촉진하는 요인이 될 수 있습니다.  [배경 2]

상수원부터 관 표면 생물막까지 추적한 실험 설계

연구진은 부모 균주인 S. lividans SBT5와 이를 유전적으로 개량해 액티노마이신 D 생산성을 높인 LJ1018을 비교했습니다. 중국 진쩌 저수지에서 채취한 상수원 물에 각 균주를 전체 생존 세포의 1%에 해당하는 10³~10⁴ cells/mL로 넣고 5일간 배양했습니다. 정량 PCR(qPCR)로 균주량을 추적하고, 고체상 추출-액체크로마토그래피 질량분석으로 액티노마이신 D를 측정했습니다. 배양법으로 여섯 항생제 계열의 내성균 비율을 구했으며, 세포외고분자물질(EPS)과 염소 농도별 불활성화율도 측정했습니다.

이어 응집·침전, 모래여과, 오존, 생물활성탄, 자외선, 염소의 6단계 정수처리 전 공정을 실험실 규모로 재현했습니다. 처리 뒤에는 72시간 회복 실험으로 항생제 생산과 내성균·내성 유전자 변화를 살폈습니다. 별도 실험에서는 염소 처리를 거친 균주와 형광 표지 Escherichia coli를 관 모형에 넣어 90일간 생물막을 만들고, 유세포 분리·배양·공초점 현미경으로 내성 유전자 전달과 생물막 구조를 분석했습니다. 주요 정량 결과는 생물학적 반복 3회에서 얻었습니다.

상수원에서 유지된 항생제 생산 기능과 내성균 증가

두 균주는 영양분이 적은 상수원 물에서 5일간 모두 증식했지만, LJ1018의 최종 생물량은 SBT5의 1.92배였습니다. LJ1018이 생산한 액티노마이신 D는 1.65 μg/L로, SBT5의 0.138 μg/L보다 12배 높게 측정됐습니다.

LJ1018 조건에서 토착 항생제 내성균의 상대 비율은 여섯 계열 모두 증가했습니다. 예를 들어 설파메톡사졸 내성균은 6.63%에서 18.1%, 노르플록사신 내성균은 0.153%에서 3.26%, 암피실린 내성균은 3.71%에서 11.3%로 늘었습니다. LJ1018이 만든 것과 같은 1.65 μg/L의 순수 액티노마이신 D를 넣은 대조 실험에서도 같은 방향의 증가가 나타났고, 액티노마이신 D 생산량이 낮은 SBT5 조건에서는 유의한 변화가 없었습니다. 연구진은 LJ1018이 만든 액티노마이신 D가 토착 내성균을 선택한 원인이라고 판단했습니다.

세포외고분자물질 증가와 낮아진 염소 불활성화율

LJ1018에 노출된 토착 미생물이 분비한 총 세포외고분자물질은 10⁷ cells당 145 μg으로 측정됐습니다. 무처리 상수원 물은 89.2 μg, SBT5 조건은 93.2 μg이었습니다. 연구진은 LJ1018이 만든 액티노마이신 D 스트레스가 다당류·단백질·세포외 DNA로 이뤄진 보호성 물질의 분비를 자극했다고 해석했습니다.

이 변화는 염소 소독 결과와 연결됐습니다. 염소 0.3 mg/L를 30분 처리했을 때 토착 미생물 불활성화율은 무처리 상수원 물에서 36.7%였지만 LJ1018 조건에서는 8.54%였습니다. 염소 1.2 mg/L에서도 각각 51.9%와 38.7%로 차이가 이어졌습니다. 논문은 늘어난 세포외고분자물질이 염소의 침투를 막고 소독제를 소모해 토착 미생물의 염소 내성을 높였다고 설명했습니다.

정수처리 뒤에도 이어진 항생제 생산과 내성균 회복

6단계 처리 뒤 qPCR로 산출한 LJ1018의 누적 제거율은 66.5%였습니다. qPCR 신호 기준으로 약 3분의 1이 최종 처리수까지 남은 셈이며, 처리수에서는 실제로 배양 가능한 LJ1018 세포도 회수됐습니다. LJ1018이 들어 있던 원수에서 토착 미생물의 누적 제거율은 83.4%로, SBT5 조건의 99%보다 낮았습니다. 이는 실제 정수장의 현장 성능이 아니라 실험실에서 정수처리 전 공정을 재현한 결과입니다.

더 중요한 차이는 처리 뒤 기능이었습니다. SBT5는 액티노마이신 D 생산 능력을 잃었지만, LJ1018은 처리수에서 최대 69.7 ng/L를 생산했습니다. 염소 소독 직후에는 LJ1018 조건에서 테트라사이클린 내성균이 4.17% 검출됐고, 72시간 뒤에는 설파메톡사졸 16.5%, 테트라사이클린 4.95%, 카나마이신 3.84%, 암피실린 8.28%의 내성균이 나타났습니다. 무처리 물과 SBT5 조건에서는 검출되지 않았습니다. 내성 유전자와 인테그론 통합효소 유전자 intI1·intI3도 LJ1018 조건에서 풍부해졌습니다.

관 표면 생물막에서 늘어난 내성 유전자 수평 전달

90일간 만든 관 표면 생물막에서 항생제 내성 유전자의 수평 전달 빈도는 SBT5 조건에서 1.22 × 10⁻⁶, LJ1018 조건에서 3.20 × 10⁻⁶로 측정됐습니다. LJ1018 조건이 2.62배 높았습니다.

LJ1018 생물막은 SBT5 생물막보다 살아 있는 세포가 2.34배, 세포외고분자물질이 4.73배, 세포외 DNA가 8.39배 많았습니다. 공초점 현미경에서는 살아 있는 세포 덩어리 사이에 죽은 세포 덩어리가 함께 관찰됐습니다. 연구진은 LJ1018이 감수성 세포를 용해해 DNA를 방출시키는 동시에, 세포외고분자물질로 살아남은 세포를 모아 세포 접촉과 유전자 교환에 유리한 환경을 만들었다고 설명했습니다.

살아 있는 항생제 공장이 제기한 생물안전 과제와 검증 한계

연구진은 고수율 합성 항생제 생산균을 단순한 잔류 미생물이 아니라 스스로 증식하며 선택물질을 계속 만드는 오염원으로 봐야 한다고 해석했습니다. 이 연구의 LJ1018은 상수원에서 항생제 생산 기능을 유지했고, 정수처리 뒤에도 처리수와 관 표면 생물막에서 내성의 출현·회복·유전자 전달에 영향을 줬습니다. 저자들은 합성생물학 미생물의 산업 이용에서 유출 방지와 환경 내 기능 지속성을 함께 평가해야 한다고 제안했습니다.