Hiding in plain sight: rare Bacillus cereus group species are present among unassembled metagenomic samples in public databases

우리 발밑의 토양은 미생물들이 북적이는 거대한 메트로폴리스이며, 생태계를 형성하고 농업을 주도하며 때로는 질병을 일으키는 박테리아들로 가득 차 있습니다. 이 보이지 않는 거주자들 중에는 바실러스 세레우스(Bacillus cereus) 그룹이라 불리는 복잡한 박테리아 가족이 있습니다. 이 가족의 일부 구성원은 식중독이나 치명적인 탄저병을 일으키는 것으로 악명이 높지만, 다른 이들은 해롭지 않거나 심지어 작물을 보호하거나 유용한 화학 물질을 생산하는 데 산업적으로 사용되기도 합니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 그룹에서 가장 흔하고 위험한 구성원들의 게놈(유전 설계도 전체)을 지도화해 왔습니다. 그러나 이 박테리아 가족의 상당 부분은 여전히 미스터리로 남아 있습니다. 이 그룹 내에는 10여 년 전에 발견되었으나 그 이후 야생에서 다시 발견되지 않은 희귀 종들이 존재합니다. 지금까지 이 희귀 종들에 대해 이용 가능한 유전 정보는 각 종당 단 하나의 고립된 균주뿐이었으며, 이는 과학자들에게 이들의 생물학적 특성, 서식지, 그리고 인간 건강에 위험을 초칠 가능성에 대한 파편화되고 불완전한 그림만을 남겨주었습니다.

문제는 이러한 희귀 박테리아들이 반드시 환경에 존재하지 않는 것이 아니라, 전통적인 방식에 의해 간과되어 눈앞에 있음에도 불구하고 숨어 있었다는 점입니다. 박테리아를 연구하기 위해 과학자들은 보통 실험실 접시에서 박테리아를 키우는 '분리 배양' 과정을 거칩니다. 만약 박테리아가 희귀하거나 키우기 어렵다면, 종종 이러한 실험 과정에서 빠져나가게 됩니다. 그러나 최근 과학계는 다른 접근 방식으로 전환했습니다. 바로 샷건 메타게노믹스(shotgun metagenics)입니다. 단일 유기체를 키우는 대신, 연구자들은 토양이나 물 샘플에서 발견되는 모든 DNA를 한꺼번에 시퀀싱할 수 있습니다. 이는 수천 종류의 서로 다른 유기체들이 함께 살고 있는 거대한, 정리되지 않은 유전 파편 더미를 만들어냅니다. 이 방법은 강력하지만 계산량이 매우 많으며, 공공 아카이브에 있는 이 많은 데이터 중 상당수는 아직 완전히 조립되지 않은 채로 남아 있습니다. 이 데이터들은 해독되기를 기다리며 조립되지 않은 상태로 그곳에 놓여 있습니다.

스웨덴의 한 연구팀은 이 희귀하고 찾기 힘든 박테리아들이 이 방대한, 조립되지 않은 디지털 아카이브 속에 숨어 있는지 확인하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 설령 최근에 아무도 이 희귀 종들을 실험실에서 성공적으로 배양하지 못했을지라도, 그들의 유전적 특징이 이미 공개 데이터베이스에 저장된 수천 개의 토양 및 수질 샘플 속에 흩어져 있을 것이라고 가설을 세웠습니다. 이들을 찾기 위해 연구팀은 먼저 바실러스 세레우스 그룹에서 가장 희귀한 것으로 알려진 네 가지 종을 위한 고유한 유전적 마커(지문 역할을 하는 특정 DNA 서열)를 식별했습니다. 바실러스 만리포넨시스(Bacillus manliponensis), 바실러스 빙마용엔시스(Bacillus bingmayongensis), 바실러스 가에목엔시스(Bacillus gaemokensis), 그리고 잠정적으로 바실러스 클라루스(Bacillus clarus)라 명명된 종을 포함한 이 종들은 수년 동안 각각 단 하나의 알려진 게놈으로만 대표되어 왔습니다. 연구진은 특수 검색 도구를 사용하여 공공 시퀀스 리드 아카이브(Sequence Read Archive)의 방대한 미조립 DNA 데이터를 스캔하여 이러한 특정 지문들을 찾아냈습니다.

검색은 성공적이었습니다. 연구팀은 이 희귀 박테리아들의 유전적 마커를 포함하고 있는 7개의 메타게노믹 샘플을 식별했습니다. 이 샘플들은 이스라엘의 아보카도 과수원 토양, 중국의 기장 식물 뿌리 구역, 심지어 다른 종류의 박테리아를 의도적으로 접종한 상업용 시금치 샘플 등 다양한 위치에서 왔습니다. 이 특정 샘플들로부터 DNA 파편들을 재조립함으로써, 연구진은 실험실에서 박테리아를 직접 키우지 않고도 이 희귀 박테리아들의 고품질에 가까운 완전한 게놈을 재구성할 수 있었습니다. 그들은 이스라엘 토양으로부터 바실러스 만리포넨시스의 완전한 게놈을 복구했으며, 시금치 샘플로부터 바실러스 빙마용엔시스의 부분적인 게놈을 복구했습니다. 이는 10년 넘게 이 종들을 정의해 온 단 하나의 원래 균주를 넘어, 이 종들에 대한 새로운 유전 데이터를 제공했다는 점에서 중요한 돌파구였습니다.

이 새로운 게놈들을 손에 넣은 연구진은 마침내 희귀 종들을 서로 비교하고, 최근에 시퀀싱된 소수의 다른 균주들과 비교할 수 있었습니다. 그들은 이 박테리아들이 균일한 복제본이 아니라 상당한 유전적 다양성을 보인다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 이스라엘 과수원에서 발견된 바실러스 만리포넨시스는 한국에서 발견된 원래의 균주와 유전적으로 구별되었지만, 동일한 종임을 확인할 수 있을 만큼 밀접하게 연관되어 있었습니다. 마찬가지로, 시금치 샘플에서 발견된 바실러스 빙마용엔시스는 중국의 땅콩 토양에서 발견된 균주와 밀접한 관련이 있었지만, 튀니지에서 발견된 다른 균주들과는 달랐습니다. 이는 이러한 "희귀" 종들이 단 하나의 외딴 장소에 국한된 것이 아니라, 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 광범위하고 지리적으로 다양할 가능성이 높음을 시사합니다.

또한 이 연구는 이 박테리아들의 잠재적 위험성과 능력에 대해서도 밝혀냈습니다. 연구진은 새로운 게놈에서 독소나 다른 해로운 물질을 생성하는 유전자를 조사했습니다. 그 결과, 이 희서 종들이 탄저균이나 구토를 유발하는 특정 독소에 대한 유전자는 가지고 있지 않았지만, 설사를 유발할 수 있는 다른 독소에 대한 유전자는 보유하고 있다는 것을 발견했습니다. 흥식하게도, 이러한 독소 유전자의 존재는 동일한 종 내의 서로 다른 균주들 사이에서도 차이를 보였습니다. 어떤 균주는 스핑고마이엘린 C(sphingomyelinase C)라는 독소에 대한 유전자를 가지고 있는 반면, 어떤 균주는 그렇지 않았습니다. 이러한 변이는 동일한 박테리아 종의 모든 구성원이 똑같이 행동한다고 가정할 수 없다는 중요한 점을 강조합니다. 실험실에서 발견된 균주는 해롭지 않을 수 있지만, 들판에서 발견된 동일한 종의 다른 균주는 질병을 일으킬 수 있는 유전적 도구를 갖추고 있을 수 있습니다.

나아가 연구팀은 플라스미드나 생물체 사이를 이동할 수 있는 바이러스와 같은 이 박테리아 내부의 가동성 유전 요소들을 살펴보았습니다. 그들은 이 희귀 박테리아들이 고유한 바이러스 서열과, 경우에 따라 유전자를 박테리아 사이에서 이동시킬 수 있는 플라스미드를 운반하고 있음을 발견했습니다. 바실러스 빙마용엔시스의 한 균주는 새로운 항생제 유사 물질을 생성할 수 있는 유전자 클러스터를 가진 플라스미드를 보유하고 있는 것으로 나타났습니다. 이는 이 희귀 종들이 단순한 생물학적 호기심이 아니라, 토양에서 일어나는 화학적 전쟁과 협력의 능동적인 참여자로서 새로운 의약품이나 농업 도구의 열쇠를 쥐고 있을 수 있음을 시사합니다.

이 연구 결과는 이 희귀 종들이 정말로 희귀하거나 원래 발견된 장소에 국한되어 있다는 가정을 뒤집습니다. 대신, 이들은 과수원이나 상업용 농산물과 같이 인간과 상호작용할 수 있는 농업 환경 및 식품 생산 시스템에 존재하고 있는 것으로 보입니다. 연구진은 박테리아가 식품 샘플에서 검출되었다고 해서 그것이 반드시 위협이 되는 것은 아니며, 박테리아가 질병을 일으키는지 여부는 많은 요인에 의해 결정된다는 점을 강조합니다. 그러나 배양 없이 공공 데이터베이스에서 이러한 유기체를 찾아낼 수 있다는 사실은 모니터링의 새로운 창을 열어줍니다. 이는 바실러스 세레우스 그룹의 진정한 다양성이 우리가 현재 보유한 실험실 배양 샘플이 보여주는 것보다 훨씬 더 크다는 것을 의미합니다.

연구진은 방대한, 조립되지 않은 DNA 데이터 아카이브를 보물 창고처럼 다룸으로써 미생물 세계를 연구하는 강력한 새로운 방법을 입증했습니다. 그들은 희귀 종들이 반드시 세상에서 사라진 것이 아니라, 우리가 전통적인 방식으로 세상을 바라보는 방식에서 누락되었을 뿐이라는 것을 보여주었습니다. 이 접근 방식은 박테리아를 실험실에서 키워야 하는 한계를 우회하여, 복잡한 환경 속에 살아가는 유기체의 유전적 잠재력을 직접 관찰할 수 있게 해줍니다. 더 많은 데이터가 생성되고 이러한 디지털 아카이브가 더 많이 탐구됨에 따라, 이 희귀한 존재들에 대한 우리의 이해는 계속해서 깊어질 것이며, 우리를 둘러싼 미생물 세계에 대한 더욱 완전하고 정확한 그림을 그려낼 것입니다.