Bacterial secreted products selectively inhibit non-symbiotic fungi in bees
이 연구는 *Apilactobacillus kunkeei*와 같은 우점 분류군으로부터 유래한 유기산 및 펩타이드 유사 화합물을 포함한 박테리아 분비물이 비공생 및 병원성 균류를 선택적으로 억제하는 동시에 유익한 효모 공생균은 무턱벌레 유충의 먹이 내에서 지속될 수 있도록 허용함으로써, 숙주 마이크로바이옴을 구조화하는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 입증한다.
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벌들은 눈에 보이지 않는 생명체들이 가득한 세상에서 살아갑다. 벌집 내부에는 박테리아와 곰팡이로 이루어진 복잡한 공동체가 곤충들과 공존하며, 이는 군집의 건강에 필수적인 미세 생태계를 형성한다. 이러한 미생물 중 일부는 소화를 돕거나 벌집을 보호하는 유익한 파트너인 반면, 다른 일부는 자라나는 어린 벌들을 병들게 하거나 죽일 수 있는 위험한 침입자이다. 벌 군집이 생존하기 위해서는 해로운 유기체들을 저지하면서도 유익한 것들을 육성하는 섬세한 균형을 유지해야 한다. 이 끊임없는 지배권 다툼은 단순히 힘의 대결이 아니라, 거주자들이 환경을 제어하기 위해 물질을 만들어내는 정교한 화학 전쟁이다. 이 작은 거주자들이 어떻게 자신들의 공동체를 관리하는지 이해하는 것은 동물의 장 속에서부터 숲의 토양에 이르기까지, 붐비는 공간을 지배하는 더 넓은 규칙을 들여다보는 창을 제공한다.
무표정 벌(stingless bee)인 Scaptotrigona depilis의 벌집 안에서는 유충에게 제공되는 먹이 속에서 특정한 드라마가 펼쳐진다. 꽃가루와 넥타(nectar)의 혼합물인 이 먹이는 다양한 곰팡이를 끌어들이는 풍요로운 뷔페와 같다. 이 곰팡이들 중 일부는 해롭지 않거나 심지어 유충이 성장하는 데 필요하기도 하지만, 다른 일부는 유충을 파괴할 수 있는 병원균이다. 연구자들은 유충의 먹이에 사는 박테리아가 나쁜 곰팡이가 점령하는 것을 막음으로써 유충을 보호한다는 사실을 오래전부터 알고 있었으나, 그 정확한 방법은 여전히 미스터리로 남아 있었다. 박테aria가 곰팡이와 직접적으로, 즉 세포 대 세포로 싸우는 것일까? 아니면 침입자들을 멀리 떨어뜨려 놓기 위해 먹이 속에 보이지 않는 무기를 방출하는 것일까? 과학자 팀은 박테리아가 오직 주변으로 분비한 물질만을 사용하여 벌집을 방어할 수 있는지 테스트함으로써 이 수수께끼를 풀기 위해 나섰다.
연구진은 무표정 벌의 유충 먹이에서 박테리아를 채취하여 실험실에서 배양하는 것으로 시작했다. 그들은 이 박테리아들이 자신들이 자라는 액체 배지에 화학적 부산물을 방출하도록 두었으며, 그 후 박테리아 자체를 조심스럽게 제거하여 화학 물질이 풍부하고 투명한 액체만을 남겼다. 그런 다음 그들은 Aspergillus와 같은 위험한 병원균과 벌들이 의존하는 유익한 효모를 포함한 다양한 유형의 곰팡이를 이 액체에 투입했다. 결과는 놀라웠다. 곰팡이들이 박테리아에 의해 조절된 액체에 놓였을 때, 작은 가지 모양의 실처럼 보이는 해로운 사상균(filamentous fungi)들은 심하게 성장이 저해되었다. 그들의 성장은 급격히 느려졌고, 번식에 사용하는 씨앗인 포자도 훨씬 적게 생성했다. 많은 경우, 박테리아의 분비물은 해로운 곰팡이의 성장을 절반 이상 줄였으며, 어떤 경우에는 거의 90%까지 줄였다.
결정적으로, 박테리아는 모든 곰팡이를 똑같이 대하지 않았다. 해로운 실 모양의 곰팡이들은 억제된 반면, 벌 유충의 발달에 필수적인 유익한 효모들은 저해되지 않았을 뿐만 아니라 때로는 오히려 성장이 촉진되기도 했다. 이러한 선택적 방어는 박테리아가 친구와 적을 구별할 수 있는 매우 정교하게 조정된 시스템을 갖추고 있음을 시사한다. 과학자들은 이 효과가 단순히 박테리아가 다른 생명체의 성장을 억제하는 흔한 방식인 먹이를 산성으로 만드는 것 때문인지 테스트했다. 박테리아가 액체의 pH를 낮추어 더 산성으로 만들었고, 이 산성도가 일부 곰팡이를 막는 데 도움이 된 것은 사실이지만, 그것이 전부는 아니었다. 연구진이 액체를 중성 pH로 조절하여 산성을 제거했을 때도, 분비된 물질들은 여전히 해로운 곰팡이의 성장을 막았다. 이는 박테리아가 환경을 제어하기 위해 산성화와 더불어 더 구체적인 화학 무기들을 결합하여 사용하고 있음을 증명했다.
이 화학 무기들이 무엇인지 이해하기 위해, 팀은 박테리아의 유전 암호를 들여다보고 그들이 생성하는 분자를 분석했다. 그들은 벌집에서 가장 흔한 박테리아 종인 Apilactobacillus kunkeei가 다른 박테리아에서 흔히 발견되는 강력한 항진균 화합물에 대한 전형적인 유전적 청사진을 가지고 있지 않다는 것을 발견했다. 대신, 그들의 게놈은 다른 전략에 의존하고 있음을 시사했다. 박테리아 분비물에 대한 화학적 분석 결과, 단백질의 구성 요소인 아미노산의 짧은 사슬인 펩타이드 유사 분자들의 풍부한 혼합물이 드러났다. 박테리아는 이들을 가공하여 환경으로 방출하는 것으로 보인다. 모든 분자의 정확한 정체가 완전히 밝혀지지는 않았지만, 이 펩타이드 유사 화합물들은 산과 함께 작용하여 보호막을 형성하는 박테리아 방어 무기 체계의 핵심 부분인 것으로 보인다.
이 연구는 벌 군집을 건강하게 유지하는 정교한 형태의 미생물 협력을 강조한다. 유충 먹이 속의 박테리아는 단순히 자원을 두고 경쟁하는 것이 아니라, 벌들의 필요에 맞게 화학적 환경을 능동적으로 설계한다. 산과 펩타이드 유사 화합물의 혼합물을 분비함으로써, 그들은 해로운 곰팡이는 번성할 수 없고 유익한 효모는 번성할 수 있는 구역을 만든다. 이러한 선택적 억제는 유충이 곰팡이 감염의 위험 없이 필요한 영양분을 공급받을 수 있도록 보장한다. 이 발견은 벌의 미생물군집(microbiome)의 안정성이 서로 다른 유형의 미생물 사이의 이러한 미묘한 화학적 대화, 즉 질병이라는 끊임없는 위협으로부터 가장 중요한 수분 매개자 중 하나인 벌을 보호하기 위해 진화한 시스템에 달려 있음을 보여준다.
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