숨어있던 박테리아 숙주 찾아냈다…RNA 바코딩 기술의 '힘'

미국 라이스대 연구진이 복잡한 미생물 군집 내에서 바이러스와 박테리아의 상호작용을 추적하는 RNA 기반 바코딩 기술을 개발해 차세대 마이크로바이옴 공학의 새로운 길을 열었다.

라이스대 연구팀은 이 같은 내용의 연구 결과를 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 17일(현지시간) 발표했다. 이 기술은 박테리오파지(파지)로부터 유전 물질을 전달받은 박테리아를 정확히 식별해낸다.

파지는 박테리아를 감염시키는 바이러스로, 지구상에서 가장 풍부한 생물학적 개체다. 파지는 박테리아를 사멸시키거나 대사를 바꾸고, 유전자를 전달하며 미생물 생태계에 막대한 영향을 미친다.

과학계는 파지를 항생제 대체재나 마이크로바이옴 공학 도구로 활용하는 데 관심이 높다. 하지만 기존 기술로는 복잡한 환경에서 어떤 파지가 어떤 박테리아를 감염시키는지 파악하기 어려웠다. 실험실 배양이 필요하거나 노동 집약적이라는 한계가 있었다.

연구팀은 'RNA 주소 지정 변형(RNA-addressable modification)' 플랫폼을 적용해 이 한계를 극복했다. 이 시스템은 특정 생화학 반응을 촉매하는 인공 리보자임(ribozyme)을 사용해, 파지로부터 DNA를 받은 박테리아의 '16S 리보솜 RNA'에 고유한 '바코드'를 삽입한다. 이후 RNA 시퀀싱을 통해 숙주 박테리아를 식별할 수 있다.

로렌 스태들러 라이스대 부교수는 "개별 상호작용을 분리하는 대신, 파지가 도달한 세포에 분자 서명을 남기도록 했다"며 "이를 통해 미생물 군집 내에서 숙주 범위를 직접 매핑하는 민감하고 처리량이 높은 방법을 확보했다"고 설명했다.

연구팀은 항생제 내성 유전자를 퍼뜨리는 것으로 알려진 박테리오파지 P1에 이 바코딩 시스템을 적용했다. 실험은 실험실에서 배양된 미생물 군집과 휴스턴 지역 폐수 처리장에서 수집한 폐수에서 진행됐다.

폐수 실험에서 놀라운 발견이 나왔다. P1 파지로부터 유전 물질을 받은 미생물 중 '에어로모나스 히드로필라(Aeromonas hydrophila)'를 포함한 에어로모나스목(Aeromonadales) 세균이 확인된 것이다. 이들은 이전까지 P1의 숙주로 보고된 적이 없었다.

스태들러 부교수는 "복잡한 환경 샘플에서 완전히 새로운 숙주 그룹을 발견한 것은 이 접근법의 강력함을 보여준다"고 강조했다.

연구팀은 또한 파지가 박테리아에 부착할 때 사용하는 단백질 구조인 '꼬리 섬유(tail fibers)'를 변형시켜 숙주 범위가 어떻게 달라지는지도 조사했다. 그 결과, 각각의 꼬리 섬유가 폐수 군집 내에서 뚜렷하게 다른 미생물 그룹을 표적으로 삼는다는 것을 확인했다.

이는 파지의 작은 유전적 변화가 상호작용하는 박테리아를 극적으로 바꿀 수 있음을 시사한다. 유익한 유전자를 전달하거나 유해 박테리아를 선택적으로 제거하는 등 특정 기능을 가진 파지를 설계하는 데 중요한 정보가 된다.

연구진은 이 기술이 향후 의료, 환경 정화, 산업 생명공학 분야에서 맞춤형 파지 개발을 가속화할 것으로 기대했다.