동물용 항균제와 대체제를 둘러싼 최신 동향 <PART 27> - 인터뷰

들어가며

2011년 7월 이후부터 EU(2009)에 이어서 세계에서 2번째로 사료첨가용 항균성물질(AGPs)를 전면 사용 금지시키고, 2013년 수의사처방제를 실시하면서 정부가 기대하고 홍보했던 것은 동물용 항균성물질에 대한 급격한 내성률 감소로 인한 국민 건강의 확보에 대한 기여이다. 그러나 2018년 2월 현재 이러한 기대와는 달리 오히려 항균성물질의 사용량은 더 늘어나고, 내성률도 CODEX 항생제 내성특별의장국이라는 것이 부끄러울 정도로 참가 회원국들에게 보여줄 것이 없는 초라하고 참담한 상태를 면치 못하고 있다.

네덜란드나 일본을 비롯한 축산 선진국들은 모두 동물용 항생제 사용량 및 내성률이 매년 소폭 내지는 대폭 감소되는 경향을 실증적 증거자료를 통해서 보여준다. 하지만 이와 달리, 우리나라는 오히려 정부의 정책을 비웃기라도 하듯이 항생제 사용량이 오히려 더 늘어날 뿐만 아니라 내성률 감소도 성과를 거두지 못하는 후진국 상태를 면치 못하고 있다.
AGPs는 동전의 양면 같아서 긍정적인 면과 부정적인 면을 모두 지닐 수밖에 없는 운명이다. 하지만 긍정보다는 부정적인 면이 더 크게 부각되어, 선진 축산국가에서는 모두 사용금지 또는 제한하고 있고, 개발도상국들과 후진국들도 이에 동참하는 추세를 나타내면서 자연적으로 AGPs 대체물질에 대한 관심이 고조되고 있다(관련자료 1).

AGPs 사용금지 이후에 벌어지는 현상을 최대한 근접하게라도 설명하기 위해서는 이전부터 알고 있던 동물영양학적 지식만 가지고는 안 되며, 분자생물학적 지식을 적용해야 하는 시대가 도래했다. 하지만 아직도 국내에서는 이러한 흐름에 걸맞은 지식과 정보가 양돈농가들과 관련업계의 종사자들에게 전달되지 못해 아쉬움을 주고 있다. 이들 중 하나가 본지를 통해 이미 선구적으로 소개된 바 있는 공통내성 현상이라고 할 수 있다.

공통내성(Co-Selection)은 한 세균이 여러 항균성물질(Antimicrobials) 각각에 대해 내성을 나타내기에 필요한 여러 기전을 가지고 있기 때문에 교차내성(Cross- resistance)과 다르다. 공통내성을 나타내는 유전자는 흔히 서로 가까이에 위치하고 함께 발현되는데, 인테그론(Integron)이나 플라스미드(Plasmid)를 예로 들 수 있다.

인테그론은 그람음성간균에서 처음 기술되었으나, 그람 양성세균에서도 관찰된다. 인테그론은 내성유전자를 받아들이고 발현하는 작용을 한다.

특정 항균성물질에 대한 내성을 줄이기 위해서 특정 항균성물질의 사용을 중단하는 시도를 한다. 그러나 여러 계열의 항균성물질에 대한 내성유전자가 인테그론이나 플라스미드에 있다면 그중 어느 한쪽 계열의 항균성물질 사용을 중단하여도 다른 계열의 항균성물질에 대한 내성이 소실되지 않고 지속될 수 있다.

이러한 사물의 가장 기본적인 현상을 모른 체, 테트라사이클린과 페니실린계에 대한 내성률이 높으니 이들 항생물질의 사용만을 우선적으로 금지시키자거나, AGPs 대체물질들은 마치 내성의 안전지대인 것처럼 생각하고 정책을 추진했으니, 현재와 같은 부작용의 출현은 이미 정해진 수순이라고 할 수 있다.

따라서 본고에서는 계속해서 본 주제와 관련된 최신의 내용을 정리해서 기술함으로써 독자들의 이해를 높이고자 한다.

1. 살모넬라균 병원성 발휘 유전자와 분비장치의 기본적인 이해

살모넬라균이 가진 대표적인 병원성인자로 SPI(Salmonella pathogenicity island)를 들 수 있는데, 동물숙주의 세포 내로 침투시 SPI에서 합성한 분비시스템인 T3SS(Type 3 Secretion System)을 이용하여 다양한 병원성인자를 숙주세포 질 내로 분비하여 세포 내 정상기능을 교란시켜 살모넬라균의 침투와 세포 내 증식을 증진시키는 것으로 알려져 있다. 인체와 축체에 침투하여 질병을 유발하는 살모넬라균은 평소에는 질병유발시스템을 발현시키지 않으며, 인체와 축체에 침투하였을 경우에만 발현시킨다.

작용기작을 자세히 살펴보면, 인체에 침투하였을 경우 two-component system(TCS)라는 센서를 활용하여 외부의 조건변화를 인식한다. 외부의 조건변화 모니터링을 통하여 인체내부에 도달하였음을 인식하면 살모넬라균의 병원성 유전자군인 SPI-1(Salmonella Pathogenicity Island 1)을 발현시킨다.

숙주세포를 인식하기 위하여 살모넬라균은 접촉, 마그네슘(Mg) 농도, 인산(Phosphate) 농도 등의 외부환경 변화를 TCS를 통하여 인식한다고 보고되었다. 이런 기존에 알려진 숙주세포 관련 TCS 이외에 살모넬라 균주 TCS의 전체적인 특성을 파악하기 위하여 살모넬라를 포함한 미생물 균주의 TCS 데이터를 KEGG 데이터베이스 등에서 확보하는 것이 필요하다.

살모넬라균은 TCS를 이용하여 숙주세포를 인식하고 단백질 분비에 구조물인 T3SS에 연관된 prgH, prgI, prgJ, prgK 등의 일련의 유전자들과 숙주 안에 도입될 sopE 등의 일련의 병원인자(Effector) 유전자들을 활성화한다. 이러한 일련의 유전자들을 발현시키기 위하여 SPI-1 network의 hilA, hilC, hilD 등의 다양한 유전자들이 순차적으로 발현되며, 결과적으로 단백질의 분비에 관련된 일련의 유전자를 활성화함이 확인되었다.

살모넬라균의 유전정보와 SPI-1 네트워크를 구성하는 유전자들의 염기서열을 바탕으로 SPI-1의 발현조절 네트워크를 구축하였다. 다양한 외부의 조건을 인식하면 SPI-1의 네트워크의 Upstream region을 구성하는 hilC와 hilD 유전자의 발현이 활성화된다.

두 유전자가 코딩하는 HilC, HilD 단백질이 발현되고, 이 두 단백질이 hilA 유전자의 프로모터 부분에 접촉하여 hilA 유전자의 발현을 활성화한다. 생산된 HilA 유전자는 prgH, invF 두 유전자를 활성화한다. prgH는 Type III Secretion System을 구성하는데 필요한 단백질을 생성하도록 하고, invF 유전자는 sicA, sopE를 거쳐서 effector 단백질의 생산을 유도한다.

살모넬라균이 장상피층을 관통할 때, 그것은 엄청난 양의 대식세포와 마주치게 된다. 대식세포는 정상적인 상황 하에서는 병원체를 탐식하여 소화시킨다. 그러나 살모넬라균은 다른 위장관 공생세균(예: E. coli)과는 달리 대식세포 안의 SCV에서도 생존하고 증식할 수 있으며, 궁극적으로 간이나 비장과 같은 기관으로 이동하게 된다.

한편, 숙주세포는 세균으로부터 영양분을 분리해낸다. 이 영양분은 금속이온, 뉴클레오타이드, 아미노산 등으로 세균의 생존과 증식을 위해 필수적인 것들이다. 이렇게 되면 세균은 굶어 죽게 된다. 그러나 살모넬라균은 먼저 새로운 상황을 감지하고, 특정 단백질을 분비하여 새로운 환경으로부터 영양분을 획득하며, 다른 한편으로 숙주의 항균펩타이드에 대항하는 유전자를 활성화시킨다.

살모넬라균에 오염된 음식을 섭취하면 균이 위장을 통과한 후 소장 말단부위의 Peyer’s patch에 있는 M(Microfold)세포라는 비포식 세포를 통하여 장상피조직을 침입하여 점막을 통과한다. 이때 M세포는 인근 장점막에 있는 대식세포에게 살모넬라균을 수송해 준다. 이와 같이 장관 상피세포를 통하여 침입하는데 필요한 독력인자를 조절하는 기작은 매우 복잡하다.

이 기작에 관여하는 독력인자 조절단백으로는 BarA, SirA, SirC, HilC, SirB, HilD, HilA 및 InvF 등이 알려져 있다(Altier 등, 2000; Johnston 등, 1996; Kaniga 등, 1994; Rakeman 등, 1999; Schechter 등, 1999). 이와 같은 복잡한 조절 네트워크는 많은 외부 신호와 통합되어 있다. BarA와 SirA는 이들 조절계에서 최상위에 위치하고 있으며, HilA와 InvF는 제3분비계(type III secretionsystem, TTSS)의 구조단백질이나 분비물에 대한 유전자의 전사를 활성화시킬 수 있는 마지막 조절인자로 작용한다.

살모넬라균은 위장관을 통과하며 산성조건, 소화효소, 담즙산염, 항균펩타이드 등의 위험요인들을 극복하고 소장의 점막으로 진출한다. 온갖 시련을 이겨내고 장의 강(Intestinal lumen)에 도달한 살모넬라균의 목표는 장상피세포(intestinal epithelial cells) 안에 안전한 피난처를 확보하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 살모넬라균은 먼저 DNA의 SPI-1(Salmonella Pathogenicity Island 1)이라는 지역에서 유래하는 특정한 단백질인자(protein factors)를 분비한다. 이 인자는 인체와 축체를 속여 숙주세포 골격의 리모델링을 유도한다.
상피세포는 살모넬라의 단백질인자 분비에 반응하여 세균의 세포를 막으로 둘러싸인 ‘풍선’으로 감싸는데, 이것을 SCV(Salmonella Containing Vacuole)라 한다. 상피세포가 살모넬라균을 SCV 안에 집어넣으면 살모넬라균은 단백질인자를 더 이상 분비하지 않는다. 이와 동시에 살모넬라균은 SPI-2라는 또 하나의 시스템을 활성화시켜 SCV라는 변화된 환경에 반응하게 된다.

- 살모넬라 T3SS 구조단백질 파악
○ 살모넬라의 T3SS는 약 20nm의 폭과 약 80nm의 높이를 가지고 있으며, 특히 약 50nm의 바늘 같은 구조물을 가지고 있어서 이를 이용하여 병원인자(Effectors) 단백질을 숙주세포 내부로 직접 주입할 수 있다.
○ PrgH, PrgI, PrgJ, PrgK 등의 일련의 단백질들이 T3SS를 구성한다고 알려져 있다. 특히 PrgI 단백질의 경우, 구성된 T3SS의 기저부를 통하여 밖으로 분비되어 바늘구조물을 구성하는 역할을 수행한다. 즉, T3SS를 구성하는 단백질이면서도 T3SS를 통하여 분비되는 단백질인 것이다.

2. 낙산의 생체에서의 작용은 직접작용과 간접작용의 총화(總和)이다

3세대 보호낙산의 작용을 요약하면 <표 1>과 같다. 단쇄지방산 중에서도 장관 내에서의 상피세포 증식촉진작용을 가장 잘 설명해 주고 있는 것은 낙산(Butyrate)이라고 할 수 있으며, 이 낙산이 소장과 대장에서 그 유효성을 유지해서 효능을 발휘토록 하기 위해 매트릭스공법, 버퍼공법, 탈에스테르공법기술 등을 사용한 Na-낙산제품이 국내 시장에서 판매되고 있는 것으로 확인되고 있다.

단쇄지방산(SCFA)의 상피세포 증식촉진작용은 신경계나 호르몬 등의 전신성 전달기구를 통해서 발현된다. 예를 들면, 대장 내로 단쇄지방산을 투여하면 투여부위로부터 격리된 소장점막의 세포증식이 왕성하지만, 단쇄지방산의 투여부위인 맹장이나 결장에 출입하는 신경을 차단한 랫트(Rats)에서는 단쇄지방산의 증식촉진 효과가 소실되기 때문에 증식촉진작용이 구심성의 자율신경을 통해서 발현되는 것이 밝혀지고 있다.

또한, 피하에 공장파편을 이식하고 이식파편에 출입하는 시경을 절제한 동물의 맹장에 단쇄지방산을 투여하면, 이식파편의 신경을 절단하지 않은 것보다는 증식속도는 저하되지만, 단쇄지방산의 촉진효과는 남았다. 이 실험에서 중추로부터 장으로의 원심성 정보전달의 최종단계에는 자율신경이 관여하지 않고 신경 이외의 기구가 관여하는 것이 밝혀지고 있다.

단쇄지방산은 췌장으로부터의 인슐린이나 글루카곤의 분비촉진 작용이나 장점막으로부터의 펩타이드YY를 촉진하는 작용도 있다. 이러한 호르몬에는 소화관 상피세포의 증식을 촉진하는 작용이 있다.

이 때문에 생체 내에서의 단쇄지방산의 증식촉진작용은 상피세포에 대한 직접 작용과 호르몬 등의 전신성 전달기구를 통한 작용이 겹쳐서 발현되고 있는 것으로 고려되고 있다. 이러한 것을 고려하면 외래의 신경계나 내분비계의 영향을 제거한 배양계에서의 검토가 중요하다.

SCFA와 점액 형성은 비특이적으로 장내 미생물의 성장을 유도한다. 낙산(Butyrate), 프로피온산(Propionate), 초산(Acetate)과 같은 SCFA는 대장 내 유익균들의 당 발효 생산물로서 대장 내 물질대사에 매우 중요하다. 그렇기 때문에 숙주는 SCFA 농도를 인지하고 이는 조절 T세포 성장에 영향을 주어 대장 내 발효 미생물들의 성장을 자극한다. 이와 비슷하게 점액은 수지상 세포(Dendritic cell)에 인지되어 염증 신호의 발현을 저해하고 건강한 점액 분해 미생물들이 점액층 내에 면역 거부 없이 안전하게 자리 잡을 수 있도록 유도한다.

맺으며

한국형 사양표준은 물론이고, 국내외에서 발간된 양돈영양학 관련 서적 내용 중에서 가장 후진성을 면치 못하는 부분은 사료첨가제와 관련된 부분이라고 할 수 있다. 거의 대부분이 고전적인 내용으로써 현재 진행되고 있는 동향의 흐름을 파악할 수 있는 내용은 거의 찾아보기 힘들다고 할 수 있다.

이는 축산관련업계 종사자들과 양돈업계 종사자들이 서적을 외면하고, 인터넷을 비롯한 다른 분야에서 자신들이 필요로 하는 지식과 정보를 찾으려는 주요 이유일 것이다. 영어를 비롯한 외국어는 잘 하는데 전공분야 논문 하나 제대로 읽고, 이해하지 못하는 영어망국병에 걸리다 보니 자신들이 읽거나 들어보지도 못하고, 체험해 보지도 못한 수준급 교재나 논문내용을 어떻게 그것도 눈에 보이지도 않는 배후에서 벌어지는 현상을 소개해서 양돈농가들의 수준향상에 기여할 수 있겠는가?

그러다 보니 본인이 본지를 통해 소개하고 있는 TTSS, SPI, 공통내성을 비롯해서 이미 선진국에서는 20~30년 전부터 발표되어 현재는 일반화되고 있는 내용들을 우리는 아직도 마치 신종용어라도 소개하면서 잘난 척하는 것처럼 착각을 하는 현상이 벌어지고 있는 것이다.

이후로는 사대주의에 사로잡혀 외국사람이 말하면 앵무새처럼 마치 첨단내용이라도 소개받는 것처럼 착각하는 현상에서 벗어나 생존을 위한 공부, 즉 배우고, 지식을 쌓아서 깊이를 이루고, 그것을 실전에서 사용하는 3단계의 진정한 공부에 눈을 돌려서 수준급의 지식과 정보는 물론이고, 서적 내용도 양돈농가들이 활용할 수 있는 단계로까지 도달해야 전문가로서의 책무를 다한다는 것을 기억하기를 바라면서 본고를 마친다.

<월간 피그 2018년 3월 호>