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15.2: 항생제 선택
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15.2: 항생제 선택

개요

연구자들은 항생제 내성 유전자(antibiotic resistance gene)를 사용해 연구하고자 하는 관심 유전자(gene of interest)를 포함하는 플라스미드(plasmid)를 가진 박테리아를 식별합니다. 한편, 항생제 내성은 박테리아 유전자에 저절로 발생한 DNA 돌연변이가 항생제 활성을 제거할 때 자연적으로 발생합니다. 박테리아는 이 새로운 내성 유전자를 자신의 자손은 물론 다른 박테리아와 공유할 수 있습니다. 항생제 오남용은 내성 박테리아와 다제내성 박테리아가 계속 발달하게 만들어 공중 보건 위기를 초래했습니다.

항생제 내성은 유전공학에 중요한 도구입니다

페니실린과 같은 항생제는 박테리아를 죽이거나 성장을 멈추게 하는 약입니다. 자연적으로 또는 인위적으로 항생제 내성 유전자를 획득한 박테리아는 항생제에 반응하지 않습니다. 과학자들은 항생제 내성 유전자와 관심 유전자를 모두 가지고 있는 플라스미드(스스로 복제하는 작은 DNA 조각)를 설계하고 이를 활용합니다. 항생제 내성은 DNA 클로닝(DNA cloning)의 중요한 부분으로, 연구자가 관심 있는 DNA(DNA of interest)를 흡수한 세포를 식별할 수 있게 해줍니다.

연구자의 관심 DNA는 형질전환(transformation)이라고 불리는 과정을 이용하여 박테리아 세포에 도입됩니다. 박테리아 형질전환은 일시적으로 박테리아 세포벽에 작은 구멍을 뚫어 플라스미드와 같은 외부 DNA의 흡수를 허용합니다. 일부 박테리아 세포만이 새로운 DNA를 흡수합니다. 플라스미드는 관심 DNA와 특정 항생제에 대한 내성을 부여하는 유전자를 모두 포함하고 있기 때문에, 항생제를 박테리아 세포에 적용하면(즉, 항생제 선택) 어떤 세포가 유전적으로 변형되었는지 결정하는 데 도움을 줍니다.

연구자는 선택한 항생제가 들어 있는 배양 접시에 박테리아 세포를 퍼뜨립니다. 오직 항생제 내성 유전자를 함유한 박테리아만이 살아남아 접시 위에서 자랍니다. 며칠 후, 연구자는 유전자 발현 연구와 같은 추가 실험을 위해 배양할 박테리아 군집을 선택할 수 있습니다. 항생제 선택 후 연구자는 관심 DNA가 올바른지 확인하기 위해 다른 방법(예: PCR)을 사용하여 박테리아를 추가로 검사하는데, 이는 플라스미드가 관심 유전자를 전혀 포함하지 않는 등의 오류가 자주 발생하기 때문입니다.

박테리아는 항생제 내성을 자연적으로 획득할 수 있습니다

박테리아는 저절로 발생한 DNA 돌연변이가 세포에 의해 생성된 단백질을 변화시킬 때 항생제 내성을 얻을 수 있습니다. 내성 박테리아는 항생제를 분해하거나, 세포 밖으로 배출하거나, 항생제 표적과 상호작용하는 것을 막는 단백질을 생산할 수 있습니다. 예를 들어 항생제 반코마이신(vancomycin)은 박테리아 세포벽의 합성을 억제합니다. 일부 박테리아는 세포벽의 조립에 사용되는 단백질 단위체의 종류를 반코마이신의 영향을 받지 않는 것으로 변화 시켜 항생제에 대한 내성을 발달시켰습니다.

일단 항생제 내성 유전자가 출현하면 박테리아는 그것을 자손에게 물려줄 수 있습니다. 박테리아는 또한 수평 유전자 전달(horizontal gene transfer, 줄여서 HGT)이라고 불리는 과정을 통해 동일하거나 다른 종의 다른 박테리아로부터 항생제 내성 유전자를 얻을 수 있습니다. HGT에는 형질전환, 접합(conjugation), 형질도입(transduction)이라는 세 가지 기작이 있습니다. 항생제 내성 유전자는 종종 HGT 동안 교환되는 플라스미드나 트랜스포존(transposon; 전이인자; 박테리아 사이에 쉽게 전달되는 DNA 조각)에서 발견됩니다. 그 결과, 새로운 형태의 항생제 내성이 여러 종류의 전염성 박테리아로 빠르게 확산할 수 있습니다.

항생제의 임상 오남용은 “슈퍼 버그”를 생성합니다.

항생제는 박테리아 감염에 중요한 치료법입니다. 하지만, 항생제 사용은 박테리아가 내성을 갖게 하고 항생제를 비효율적으로 만들어 잠재적으로 치명적인 감염을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 (박테리아 감염 대신) 바이러스 감염을 치료하거나 가축의 성장을 증진하기 위해 항생제를 사용하는 것과 같은 항생제 오남용은 내성을 촉진하기 때문에 문제가 됩니다.

항생제는 취약한 박테리아를 죽이고 저항력이 강한 개체만 남기기 때문에 내성의 진화를 유발합니다. 살아남은 박테리아는 빠르게 분열해 동일한 항생제에 대한 내성을 가진 자손을 낳습니다. 항생제가 과다하게 사용될 때, 이 선택압(selection pressure)은 개체군 내 내성 박테리아의 수를 빠르게 증가시킵니다. 이는 항생제 내성을 높이고 여러 항생제에 내성을 갖는 “슈퍼 버그”를 만들기 때문에 공중 보건의 주요 관심사입니다. 항생제의 지속적인 오남용은 결국 박테리아 감염에 대한 치료 선택지를 고갈시킬 수 있습니다.


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