미생물 커뮤니티의 생물학 - 인터뷰

안녕하세요, 저는 Roberto Coulter입니다. 저는 하버드 의과대학의 미생물학 및 분자 유전학 교수이며, 1983년부터 이곳에 재직해 왔습니다. 저는 약 10명의 연구원으로 구성된 실험실을 운영하고 있으며, 연구원들은 모두 박사후 연구원들로 미생물 세계의 다양한 분야에 관심을 두고 있습니다.

따라서 제가 먼저 말씀드리고 싶은 것이 있습니다. 여러분께서 구체적인 질문을 하실 수도 있겠지만, 우선 저희 연구실의 특성을 말씀드리자면 수행하는 연구의 종류가 다소 절충적이라는 점입니다. 어떤 연구실들은 특정 분야에 매우 집중하는 반면, 저희 연구실의 특징을 꼽자면 이곳의 모든 박사후 연구원이 각자의 분야에 집중하고 있지만, 연구원들 간의 연구 내용이 거의 겹치지 않는다는 점입니다.

제 실험실이 정확히 무엇을 하는 곳이고 제 연구가 무엇인지 설명해 드리기가 다소 어려울 수 있습니다. 그 이유는 제 연구가 매우 광범위한 영역을 다룰 뿐만 아니라, 5년 전과 지금의 모습이 매우 다르기 때문입니다. 10년 전에는 주로 정지기 생리학(stationary phase physiology)이라고 알려진 분야, 즉 활발하게 성장하지 않는 세포들에 어떤 일이 일어나는지에 대해 연구했습니다.

그리고 당시에는 그보다 10년 전부터 우리가 그러한 질문들을 던지기 시작했던 시점과 맞물려 있었습니다. 그때쯤 되어 학계, 즉 전반적인 미생물 생리학자들은 성장하지 않는 박테리아를 관찰해야 한다는 개념에 적응해 있었습니다. 그래서 저는 당시 그 방향을 어느 정도 포기하고, 단순히 성장 여부와 상관없이 표면에서 성장하거나 적어도 표면을 기반으로 생존하는 박테리아를 연구하기로 결정했습니다. 이것이 바로 바이오필름의 개념이었으며, 90년대 중반에 엔지니어들은 튜브 내의 흐름 문제 등으로 인해 이에 관심을 가지고 있었습니다.

하지만 미생물 생리학자와 유전학자들은 그 점에 크게 주목하지 않았습니다. 그래서 우리는 표면에 부착할 수 없는 모델 시스템의 돌연변이체를 만들기 시작했습니다. 그리고 10년이 지난 지금, 그동안 어떤 일이 있었는지 요약해 보아도 될까요?

우선, 지금까지 저희가 수행한 연구는 포자를 형성하여 표면에 필드 형태로 부착된 세포의 매우 특정한 분화 경로를 관찰할 수 있게 해주는 특히 훌륭한 모델 생물인 basc settles에 많이 집중되어 있었다고 생각합니다. 지난 10년 동안 관찰된 변화는, 부유 상태의 세포를 연구하던 많은 연구자가 이제는 세포가 표면에 부착되어 있을 때 어떤 작용을 하는지를 연구하는 방향으로 크게 이동했다는 점입니다. 따라서 과거에는 바이오필름을 공학 중심적인 관점에서 바라보았으나, 이제는 미생물학 분야의 유전학, 분자생물학 등을 연구하는 매우 다양한 분야의 연구자들의 관심을 받고 있다고 생각합니다.

그렇다면 그것이 미생물학 측면에서는 어떤 의미가 있었을까요? 세포가 부유 상태일 때보다 표면 위에서 존재할 때가 얼마나 다른지를 인식하게 되면서 큰 흥미를 끌고 있다는 점을 제외하면, 그것이 엄청난 차이를 만들어냈는지는 확신할 수 없습니다. 군집을 형성하는 과정에는 특정한 수준의 조직화가 필요한데, 우리는 이것이 세포들 간의 상호 소통을 포함한다는 사실을 발견하고 있습니다.

즉, 부유 상태에서 박테리아 생리학을 연구하면 환경 변화에 따라 세포가 어떻게 변화하는지 확인할 수 있습니다. 이 경우 세포가 내부의 다른 세포들과 화학적 또는 물리적으로 접촉할 필요는 전혀 없습니다. 단지 전체 집단에서 관찰되는 내용을 통해, 단일 세포에서 어떤 일이 일어나고 있는지 집단 전체의 평균값을 통해 추론하는 것입니다.

세포 집단을 흔들어 액체 속에 모두 띄워 놓은 상태라면, 다른 세포들이 함께 있다는 점은 실제로는 중요하지 않습니다. 이는 연구자가 평균값을 산출해야 하기 때문에 중요한 문제일 뿐, 세포 자체에는 큰 영향을 미치지 않습니다. 세포의 생리학적 특성은 다른 세포에 어떻게 반응하느냐보다는 환경에 어떻게 반응하느냐에 의해 정의됩니다.

세포들이 가라앉아 가속화 매트릭스를 형성하고 해당 공동체 내에서 서로 다른 세포 유형으로 조립되기 시작하면, 세포들이 서로 소통하기 시작하는 단계에 접어든 것입니다. 따라서 표면 관련 공동체 연구를 통해 세포 간 소통이라는 전체 영역이 열리게 됩니다. 현재 저희 실험실에서 수행하고 있는 바이오필름 분야의 과제는 개별 세포의 계보를 추적하고 그 운명을 파악하는 것으로, 이는 이제 막 개발되기 시작한 기술들을 필요로 합니다.

수천 개의 다른 세포들이 있는 상황에서 개별 세포의 생리학적 상태를 실제로 어떻게 평가할 수 있을까요? 기술적으로 이는 매우 어려운 일입니다. 리포터 유전자(reporter gene)와 같은 방법들이 있기는 하지만, 세포를 방해하지 않으면서 생리학적으로 어떤 일이 일어나고 있는지 평가하는 것은 여전히 큰 과제이며, 이는 제가 참여하고 있는 세포 간 통신 관련 다른 연구 분야에서도 마찬가지입니다.

큰 도전 과제는, 아시다시피 최근 몇 년간 미생물학 분야에서 우리가 인식하게 된 점 중 하나인 외부의 놀라운 다양성을 어떻게 다루느냐 하는 것입니다. 미생물 세계의 실제 상태에 대해 많은 정보를 제공할 수 있는 매우 넓은 그물을 던지고 싶다면, 그 수많은 신호들 속에서 어떻게 해야 그나마 상당히 포괄적인 그물을 던질 수 있을까요? 따라서 개념적으로 매우 큰 도전 과제는, 우리가 박테리아의 존재를 관찰하고 있는 이 완전히 인위적인 실험실 구조물이 실제 환경에서 그들이 수행하는 활동을 정말로 반영하고 있는가 하는 점입니다.

제 말은, 혹은 그것이 서로 주고받는 분자 수준이나 심지어 형성하는 구조 수준에서 발생하는 완전히 인위적인 결과물인 것일까요? 즉, 우리가 이러한 공동체에 대해 내리는 해부학적 설명이 이 생물체들이 실제 세상에서 실제로 수행하는 활동에 대해 유효한 것일까요? 우리는 이를 알지 못합니다. 왜냐하면 사람들이 실제 세상으로 나가 우리가 실험실에서 관찰할 수 있는 수준으로 박테리아가 실제로 무엇을 하고 있는지 관찰할 수 있었던 적이 거의 없었기 때문이며, 우리가 현장에 나가 관찰하더라도 그것은 완전히 다른 방식의 관찰이 되기 때문입니다.

네, 제가 하고 있는 연구가 실제 세상과 구체적으로 어떤 관련이 있을지에 대해 너무 예언적으로 말하지 않으려 노력합니다. 왜냐하면 그 사이에 직접적인 연결 고리가 있다고 확신하지 않기 때문입니다. 하지만 사람들이 일반적으로 인식하는 두 가지 영역에 대해 말씀드리겠습니다. 하나는 바이오필름(biofilms)이고, 다른 하나는 세포 간 통신(cell cell communication)입니다.

따라서 오늘날 접하게 되는 많은 감염 사례들이 박테리아와 관련되어 있으며, 이러한 박테리아들은 기존의 치료법으로는 치료하기 매우 어렵다는 점이 잘 알려져 있습니다. 이는 박테리아가 전적으로 유전적 내성을 가지고 있기 때문만은 아니며, 실제로 이러한 박테리아들이 표면 결합 공동체인 바이오필름 내에 존재할 때 생리적으로 항생제 치료에 대해 내성 또는 내성을 갖게 되기 때문입니다. 예를 들어, 카테터와 같은 체내 삽입 장치에 감염이 발생하면, 카테터 표면에 부착된 박테리아들이 알려진 치료법에 상당히 강한 내성을 보이기 때문에 해당 감염을 제거하기가 매우 어렵습니다.

따라서 사람들이 기대하는 것 중 하나는 바이오필름 내 세포의 상태를 더 잘 이해함으로써, 기존의 전략으로는 제거되지 않는 박테리아를 처리하기 위한 새로운 전략을 더 쉽게 개발할 수 있게 되는 것입니다. 그것이 한 가지 가능성입니다. 또한, 이러한 바이오필름 내에서 박테리아가 어떻게 행동하는지를 알게 된다면, 향후 박테리아가 우리에게 더 유용한 물질을 생산하도록 만들 수 있다고 주장할 수도 있습니다.

바이오프로세싱의 전반적인 개념에 대해 말씀드리자면, 이는 의학 분야 그 이상을 아우릅니다. 박테리아를 활용하는 많은 산업 분야에서 박테리아가 바이오필름 형태로 물질을 더 잘 생산하도록 하는 방법을 알 수 있다면, 더 효과적이고 효율적인 공정이 가능해질 것임을 상상하실 수 있을 것입니다. 표면을 박테리아로 덮는다는 이 개념은 흥미롭게도 지구상의 거의 모든 표면에서 나타나는 현상입니다.

따라서 해운 경로에 종사하는 사람들조차 선박 내의 생물막(biofilm) 형성을 어떻게 억제하여 선박을 더 효율적으로 운항할 수 있을지 고민할 수 있습니다. 즉, 박테리아가 표면과 상호작용하는 자연적인 환경을 이해하는 것이 거의 모든 분야에 큰 영향을 미친다는 점을 짐작하실 수 있을 것입니다. 하지만 제가 수행하는 연구가 궁극적으로 어떤 개선으로 이어질지에 대해 미리 생각하려 하지는 않습니다. 그런 결과는 자연스럽게 따라오는 것이라고 생각하기 때문입니다.

제가 말씀드리고 싶었던 다른 분야는 바로 세포 간 통신입니다. 이것이 흥미로운 이유는 우리가 항생제라고 부르는 물질들이 있기 때문이며, 요점은 제가 이전에 말씀드린 것처럼 실험실과 의료 분야에서는 이러한 화합물들이 무엇인지 알고 있다는 것입니다. 이것들을 항생제라고 부르죠, 그렇죠?

따라서 그것들이 박테리아를 죽이기 때문입니다. 현재 그것들은 실제로 박테리아에 의해 만들어집니다. 대부분의 항생제는 박테리아에 의해 만들어집니다.

그리고 재미있는 점은, 과학자 공동체로서 우리가 이러한 화합물들이 자연계에서 어떤 역할을 하는지에 대해 정말 아무것도 모르고 있다는 것입니다. 네, 박테리아가 항생제로 사용하기 위해 이러한 화합물을 생성한다는 직접적인 증거는 없습니다. 따라서 사실 이들이 서로를 죽이기 위해서가 아니라, 신호를 전달하기 위한 신호 분자로서 작용하고 있다는 많은 징후가 있습니다.

따라서 이 점의 이점은 관점을 완전히 바꾸어 생각할 수 있다는 것입니다. 즉, 새로운 신호 전달 분자를 발견한다면 그것이 실제로 유용한 항생제가 될 수도 있다고 보는 것이죠. 따라서 중개 연구의 한 가지 가능성은 새로운 신호 전달 화합물을 발견하고, 그 신호를 차단함으로써 새로운 치료법을 찾아내거나, 혹은 신호 전달 분자로 발견한 분자 자체가 결과적으로 유용한 치료제가 될 수 있는지 확인하는 것입니다. 네, 그것은 항상 어려운 과제입니다.

제 말은, 제가 5년 후에 무엇을 하고 있을지 말씀드릴 수는 있다는 것입니다. 그것이 반드시 가장 중요한 것인지는 모르겠습니다. 미래의 5년 후를 결코 예측할 수는 없다고 생각합니다.

하지만, 이전에 말씀드렸던 내용으로 다시 돌아가 보겠습니다. 저는 미생물 생태학 관점에서 생각하며, 이는 정교한 커뮤니티를 구축하고 종 간의 상호작용을 살펴보는 것을 포함합니다. 이제 우리는 단일 세포 수준에서 점점 더 정밀한 제어 수단을 가질 수 있게 되었으며, 이러한 아이디어를 진정으로 활용해야 한다고 믿습니다.

따라서 가능하다면, 우리가 나아가야 할 방향은 미생물 생태학을 탐구하는 것이라고 생각합니다. 물론 지난 20년 동안 사람들이 해왔던 것처럼 바다나 숲으로 나가 표본을 수집하는 방식도 매우 유용하며 여전히 가치가 있습니다. 하지만 우리는 이제 이 무수히 많은 종들이 실제로 무엇인지, 그리고 이들이 어떻게 상호작용하는지를 살펴보기 시작해야 합니다. 이때의 상호작용은 지금까지 우리가 살펴온 거대한 개체군 규모의 전형적인 척도가 아니라, 단일 세포 수준에서 유의미하거나 실질적인 개체군 규모에서의 상호작용이어야 합니다. 그러므로 적은 수의 개체들이 어떻게 상호작용하는지 확인하기 위해 미세 분석, 즉 현미경 분석 단계로 다시 돌아가야 한다고 생각합니다.

따라서 이러한 연구를 더 많이 수행할수록 실제 상호작용에 대해 더 많이 배울 수 있을 것이며, 이를 통해 해양 등에서 발생하는 군집으로 외삽할 수 있을 것이라고 생각합니다. 하지만 우리는 다시 그 과정으로 돌아가 박테리아의 크기에 적합한 척도에서 살펴볼 필요가 있습니다. 현재 수행되는 대부분의 연구는 이 미생물에게는 말 그대로 거대한 우주나 다름없는 척도들을 평균 내어 분석하고 있기 때문입니다.

사람들은 보통 센티미터 정도를 소규모라고 생각하지만, 토양의 1 cubic centimeter 내에는 10⁹마리의 미생물과 10⁴종의 종이 존재할 수 있습니다. 따라서 우리는 실제로 그 내부로 들어가 cubic micron 규모에서 이 세포들이 어떻게 상호작용하는지, 그리고 그곳에서의 생리적 특성은 어떠한지 살펴볼 필요가 있습니다.

그들은 그러한 맥락에서 자신의 세상을 어떻게 바라보고 있을까요? 만약 제가 오늘 박사후 연구원 과정을 시작한다면, 저는 정말 진지하게 생각하는 것이 있습니다. 새로운 박사후 연구원이 저희 연구실에 올 때마다, 저는 제 연구실을 다시 시작하는 것이라고 생각합니다.

그리고 그것은 대부분의 실험실과는 매우 다르죠, 그렇죠? 그래서 어떤 의미에서, 새로운 박사후 연구원이 이곳에 올 때마다 저는 그런 경험을 하게 됩니다. 제가 해온 일들에 대한 어느 정도의 전통은 있지만, 세상을 새롭게 바라보고 있다고 생각합니다. 미생물 생태학이 제가 연구하고 싶은 분야라고 생각하지만, 단순히 무엇이 존재하는지를 관찰하는 미생물 생태학이 아니라, 제가 관찰하려는 개체군과 종의 상호작용을 실제로 조작하고 제어할 수 있는 실험 생태학의 맥락에서 연구하고 싶습니다.

제 말은, 사람들이 반드시 해야 한다고 생각할 만큼 중요한 분야는 아니지만, 그렇다고 해서 그것이 모든 질문에 대한 해답이 된다고 생각하지는 않습니다. 우리는 종 간 상호작용의 메커니즘, 즉 기전적 근거를 정말로 살펴봐야 합니다. 그리고 이를 해결할 수 있을 만큼 충분히 단순화해야 합니다.

사실, 저는 미생물 생태학뿐만 아니라 생태학 분야 전체가 실험 생태학으로부터 큰 도움을 받을 것이라고 믿습니다. 이는 관리 가능한 종이 존재하여 상황을 실제로 제어할 수 있는 세균 시스템을 관찰함으로써 가능해질 것입니다. 그래서 그것이 제가 지금 선택하고 싶은 방향입니다.

그것이 제가 하고 있는 일입니다.