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곰팡이와 박테리아의 끈적끈적한 외피층인 "세포외 기질(ECM)"은 젤리 같은 점성을 가지고 있으며 보호막이자 껍질 역할을 합니다. 그러나 매사추세츠 애머스트 대학교와 우스터 공과대학교가 공동으로 수행하고 iScience 저널에 발표된 최근 연구에 따르면, 일부 미생물의 ECM은 옥살산이나 다른 단순산이 존재할 때만 젤 형태를 띤다고 합니다.
세포외 기질(ECM)은 항생제 내성부터 막힌 배관, 의료기기 오염에 이르기까지 모든 것에 중요한 역할을 하기 때문에 미생물이 끈적끈적한 젤 층을 어떻게 조작하는지 이해하는 것은 우리의 일상생활에 광범위한 영향을 미칩니다.
"저는 항상 미생물 세포외 기질(ECM)에 관심이 있었습니다."라고 매사추세츠 애머스트 대학교 미생물학 교수이자 이번 논문의 책임 저자인 배리 구델은 말했습니다. "사람들은 흔히 ECM을 미생물을 보호하는 불활성 외피층으로 생각합니다. 하지만 ECM은 영양분과 효소가 미생물 세포 안팎으로 이동할 수 있도록 하는 통로 역할도 할 수 있습니다."
이 코팅은 여러 기능을 수행합니다. 코팅의 점착성 덕분에 개별 미생물들이 서로 뭉쳐 군집 또는 "생물막"을 형성할 수 있으며, 충분한 수의 미생물이 이렇게 되면 파이프가 막히거나 의료 장비가 오염될 수 있습니다.
하지만 껍질은 투과성도 있어야 합니다. 많은 미생물은 세포외 기질(ECM)을 통해 다양한 효소와 대사 산물을 섭취하거나 감염시키려는 물질(예: 썩은 나무 또는 척추동물 조직)로 분비하고, 효소가 소화 작용을 완료하면 영양분을 ECM을 통해 이동시킵니다. 그러면 해당 화합물이 다시 체내로 흡수됩니다.
이는 세포외 기질(ECM)이 단순히 불활성 보호막이 아니라는 것을 의미합니다. 실제로 Goodell과 그의 동료들이 보여준 것처럼, 미생물은 ECM의 점착성, 즉 투과성을 조절할 수 있는 능력을 가지고 있는 것으로 보입니다. 그렇다면 미생물들은 어떻게 이러한 조절을 하는 것일까요? (사진 제공: B. Goodell)
버섯에서 분비되는 물질은 많은 식물에서 자연적으로 발견되는 흔한 유기산인 옥살산인 것으로 보입니다. 구델과 그의 동료들이 발견한 바에 따르면, 많은 미생물은 자신이 분비하는 옥살산을 이용하여 탄수화물 외층에 결합하여 끈적끈적한 젤 형태의 세포외 기질(ECM)을 형성하는 것으로 나타났습니다.
하지만 연구팀이 자세히 살펴보니 옥살산이 세포외 기질(ECM) 생성에 도움을 줄 뿐만 아니라 이를 "조절"하는 역할도 한다는 사실을 발견했습니다. 미생물이 탄수화물-산 혼합물에 옥살산을 더 많이 첨가할수록 ECM의 점도가 높아졌습니다. ECM의 점도가 높아질수록 큰 분자가 미생물 안팎으로 드나드는 것을 더 잘 차단하는 반면, 작은 분자는 환경에서 미생물로 자유롭게 드나들 수 있게 됩니다.
이번 발견은 곰팡이와 박테리아가 분비하는 다양한 화합물이 실제로 이러한 미생물에서 환경으로 어떻게 이동하는지에 대한 기존의 과학적 이해에 도전장을 던집니다. 구델과 그의 동료들은 어떤 경우에는 미생물이 생존하거나 감염되기 위해 의존하는 기질이나 조직을 공격하기 위해 매우 작은 분자를 분비하는 데 더 많이 의존해야 할 수도 있다고 제안했습니다.
이는 더 큰 효소가 미생물의 세포외 기질을 통과할 수 없는 경우, 작은 분자의 분비 또한 병원성에 중요한 역할을 할 수 있음을 의미합니다.
구델은 "미생물이 특정 환경에 적응하기 위해 산성도를 조절하여 효소와 같은 큰 분자는 유지하면서 작은 분자는 세포외 기질(ECM)을 쉽게 통과시킬 수 있는 중간 지점이 있는 것으로 보인다"고 말했다.
옥살산을 이용한 세포외기질(ECM) 조절은 미생물이 항균제와 항생제로부터 스스로를 보호하는 한 가지 방법일 수 있는데, 이는 많은 항균제가 매우 큰 분자로 구성되어 있기 때문입니다. 이러한 맞춤형 조절 능력은 항균 치료의 주요 장애물 중 하나를 극복하는 열쇠가 될 수 있습니다. ECM의 투과성을 조절하여 항생제와 항균제의 효과를 향상시킬 수 있기 때문입니다.
구델은 "특정 미생물에서 옥살산과 같은 작은 산의 생합성과 분비를 제어할 수 있다면, 미생물에 들어가는 물질도 제어할 수 있게 되어 많은 미생물성 질병을 더 효과적으로 치료할 수 있을 것"이라고 말했다.
추가 정보: Gabriel Perez-Gonzalez 외, 옥살산염과 베타글루칸의 상호작용: 진균 세포외 기질 및 대사물질 수송에 대한 함의, iScience (2023). DOI: 10.1016/j.isci.2023.106851
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