박테리아가 가진 플레어, OMV의 파지 교란 전략

전투기는 자신을 겨냥한 유도무기를 교란하기 위해 플레어를 투하한다.

-사상형 박테리오파지에 감염되는 박테리아

그런데, 작디작은 박테리아도 자신을 노리는 바이러스인 박테리오파지에 대해 이와 유사한 교란 전략을 사용한다.

-OMV를 방출하는 박테리아

외막소포(Outer membrane vesicles, OMV)는 박테리아가 자연적으로 방출하는 20-200nm 직경의 주머니이다.

-OMV의 다양한 용도

박테리아는 OMV에 신호 분자, 효소, 독소, 유전물질 등을 담아 주변 환경으로 방출한다.

이를 이용해 평상시 다른 미생물과 장거리 물질교환 및 상호작용을 하며, 숙주 세포에 독성물질을 분비해 질병을 일으키기도 한다.

OMV는 세포막 일부가 감싸져 만들어지기에 박테리아 표면과 막 성분이 유사한데, 바로 이 특징을 이용해 파지를 교란하는 플레어 역할을 수행할 수 있다[1].

파지는 숙주 세포막 표면의 특이적인 수용체Receptor(당, 단백질, 편모 등)을 인식할 경우 달라붙어 감염을 시도한다.

그런데 세포막에서 유래한 OMV막에도 동일한 수용체가 존재할 수 있다.

-콜레라균이 방출한 OMV 미끼에 파지가 부착된 모습

(위에서부터 ICP1, ICP2, ICP3 파지)

이럴 경우 파지는 OMV를 숙주세포로 오인하여 표면에 부착해 유전물질을 주입하게 된다.

이를 주입한 순간 파지의 구조가 변형되어 되돌릴 수 없으며, 허공에 유전물질을 허비한 채 그대로 무력화된다.

-파지의 숙주 인식 및 감염과정. 유전물질을 주입하기 전인 2단계에서 숙주 식별 후 부착을 해제할 수 있다

다만 이것만으로 모든 파지를 방어하기에는 한계가 있다.

파지는 일반적으로 다중 수용체를 인식해야 숙주임을 확인하고 유전물질을 주입한다.

그런데 OMV는 숙주 막의 일부분으로 형성되기 때문에 수용체가 결여되거나 일부만을 가질 수 있다.

그런 경우 OMV에 부착한 파지는 숙주 표면이 아니라고 인식해 주입 이전 부착을 해제하고 진짜 숙주를 찾아 나선다[2]

이러한 수용체 구분 정밀도가 높은 파지일수록 OMV 방어의 효과가 낮아진다고 추정된다.

-콜레라균 파지들의 OMV 최종 부착 정도

전술한 콜레라균 파지의 경우에도 ICP1은 최종적으로 78%의 높은 OMV부착률을 보이지만 ICP2는 31%의 부착률을 보여 편차가 큰 편이다[3]

이를 보면 OMV가 완벽한 방패는 아닌 것으로 보일 수도 있다.

그러나 OMV는 파지 방어에만 특화된 물질이 아니며, 평시에도 다양한 목적을 위해 다량 분비되고 있다.

그럼에도 많은 에너지를 필요로 하는 내부 면역체계를 가동하기 전, 접근 단계에서 억지력을 가질 수 있다는 점에서  ‘가성비 좋은 전략’이라고 볼 수 있겠다[4].

-환자에게 병원균 특이적 파지를 주입해 병원균을 선택적으로 제거하는 파지 요법

또한, 이런 OMV의 특성을 역이용하려는 연구도 나오고 있다.

현재 항생제 남용으로 인한 슈퍼박테리아 문제의 대안으로, 병원균 특이적인 파지를 사용해 감염을 치료하려는 파지 요법Phage therapy이 연구되고 있다.

그러나 항생제 내성만큼 광범위하고 빠르진 않지만, 박테리아도 파지에 대해 내성을 가질 수 있다.

-파지 감염(1)을 막기 위해 수용체를 변형하거나 막는(2-4) 박테리아의 방어전략

그 방법 중 하나로, 박테리아가 자신의 수용체를 변형시켜 파지의 인식을 회피하는 것이 있다.

-수용체가 있는 비내성균 유래 OMV가 내성균의 세포막에 융합하여 일시적으로 수용체가 생겨 감염되는 모습

그런데 OMV는 전술했듯 물질전달을 위한 역할도 하기에 수신하는 세포막에 융합될 수 있는 성질을 가졌다.

이 과정에서 수용체 변형으로 내성을 획득한 균이 비내성균으로부터 OMV를 받는 상황도 발생할 수 있다.

-비내성균(검푸른색)에서 OMV를 받자 파지(녹색)에 감염되어 사멸하는 내성균(붉은색)

이 때, 내성균이 일시적으로 파지 수용체를 가지게 되어 다시 파지가 침투할 수 있게 된다는 가설이 존재하며, 실험적으로도 관찰된 바 있다.[5]

이를 응용하면 의료용 파지가 내성 병원균을 다시 공격하도록 만들 수 있기에 파지 요법 연구자들의 관심을 끌고 있다.

-백신개발, 약물 포장재, 감염표지자 등 기존의 OMV(=BMV) 응용분야

OMV 자체에 대한 연구는 1965년 첫 발견 이래로 많이 이루어졌으나 대부분은 생성과정, 기능 및 외부 스트레스 적응 측면에 중점을 두고 있었다.

그러나 파지 결합 및 무력화는 2011년에 처음 발견된 현상이라 연구가 많이 진행되지 않아 현재도 미개척 분야에 속한다[4].

OMV 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있지만, 미생물 간 경쟁과 공생, 그리고 의학에까지 연관되는 새로운 장을 열고 있다.

박테리아와 파지, 이들은 비록 먼지보다 작은 존재들이지만, 그들의 수십억 년에 걸친 끝없는 전쟁의 여파는 우리의 건강에도 영향을 끼치고 있다.

*정확한 내용은 아래 참고문헌 참조

*엄밀히 OMV는 그람 음성균의 막소포를 지칭하는 용어이며, 그람 양성균은 외막이 없으므로 MV로 표현하나 이 글에서는 편의상 OMV로 일괄 칭함

1.Xuan, S., Xuan, G. Bacterial membrane vesicles: formation, functions, and roles in bacterial-phage interactions. World J Microbiol Biotechnol 40, 329 (2024).

2. Augustyniak, Daria et al. “Outer Membrane Vesicles (OMVs) of Pseudomonas aeruginosa Provide Passive Resistance but Not Sensitization to LPS-Specific Phages.” Viruses vol. 14,1 121. 11 Jan. 2022

3.Reyes-Robles, Tamara et al. “Vibrio cholerae Outer Membrane Vesicles Inhibit Bacteriophage Infection.” Journal of bacteriology vol. 200,15 e00792-17. 10 Jul. 2018

4.Xuan, Guanhua et al. “Outer Membrane Vesicle Production by Escherichia coli Enhances Its Defense against Phage Infection.” Microorganisms vol. 12,9 1836. 5 Sep. 2024

5.Tzipilevich, Elhanan et al. “Acquisition of Phage Sensitivity by Bacteria through Exchange of Phage Receptors.” Cell vol. 168,1-2 (2017): 186-199.e12