Multilayer analysis reveals extensive hidden population complexity in a dairy starter microbiome comprising few species

식품 과학의 세계에서, 가장 중요한 작업 중 일부는 박테리아라는 보이지 않는 영역에서 일어납니다. 고다(Gouda)나 체다(Cheddar)와 같은 전통 치즈를 만들 때, 생산자들은 스타터 배양균(starter cultures)에 의존합니다. 이는 우유를 고체 치즈로 바꾸고 특유의 풍미를 만들어내는 미생물들의 혼합물입니다. 1세기 넘게 이 배양균들은 한 배치에서 다음 배치로 계속 살아남아 전해져 왔는데, 배양균 내부의 정확한 박테리아 구성이 완전히 알려져 있거나 통제되지 않기 때문에 이를 "정의되지 않은(undefined)" 스타터라고 부르는 관행이 존재합니다. 과학자들은 오랫동안 이 혼합물이 겉보기보다 더 복잡하며, 치즈를 안전하고 맛있게 유지하기 위해 함께 협력하는 방대한 종류의 다양한 박테리아 균주들을 숨기고 있다고 의심해 왔습니다. 이러한 숨겨진 다양성을 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 이것이 박테리아를 감염시켜 생산 전체를 망칠 수 있는 바이러스, 즉 파지(phages)의 공격으로부터 치즈가 얼마나 잘 저항할지를 결정하기 때문입니다.

연구팀은 100년 이상 사용되어 온 '티스트럽(Tistrup)'이라는 특정 덴마크 스타터 배양균 내부의 숨겨진 세계를 지도화하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 단순히 실험실 접시에서 박테리아를 키워 수를 세는 것만으로는 충분하지 않다는 것을 알고 있었습니다. 왜냐하면 많은 균주가 누락되거나 간과될 수 있기 때문입니다. 대신, 그들은 두 가지 강력한 방법을 결합했습니다. 하나는 실험실에서 개별 박테리아 균주들을 대량으로 배양하는 것이고, 다른 하나는 아무것도 배양하지 않고 배양액 전체의 유전 코드를 직접 읽어내는 것이었습니다. 실험실에서 발견한 것과 가공되지 않은 혼합물에서 발견한 것을 비교함으로써, 그들은 이 공동체가 어느 한 가지 방법만으로는 밝혀낼 수 없는 훨씬 더 복잡한 구조를 가지고 있다는 사실을 발견했습니다. 이 연구는 겉으로는 단순해 보이는 박테리아 집단이라 할지라도, 그 안에 깊은 유전적 다양성이 존재하여 공동체가 생존하고 번성할 수 있게 한다는 것을 보여줍니다.

연구진은 우선 Lactococcus cremoris와 Lactococcus lactis를 위시한 몇몇 종의 박테리아가 지배적인 티스트럽 배양균을 조사하기 시작했습니다. 박테리아 종의 수가 적기 때문에, 개별 박테리아 사이의 유전적 차이는 작을 것이라고 예상했습니다. 그러나 실험실에서 키운 111개의 뚜렷한 박테리아 균주의 DNA를 시퀀싱하고 이를 전체 혼합물의 유전 데이터와 비교했을 때, 그들은 놀라울 정도로 많은 숨겨진 복잡성을 발견했습니다. 두 방법은 동일한 박테리아에 대해 일치하는 결과만을 내놓은 것이 아니라, 서로 다른 부분의 인구 집단을 찾아냈습니다. 실험실에서 배양된 균주들은 배양균에 존재하는 다양성의 일부만을 나타냈으며, 혼합물을 직접 유전적으로 읽어낸 방식은 실험실 방법이 완전히 놓친 수많은 계통(lineages)을 드러냈습니다.

가장 놀라운 발견 중 하나는 이 박테리아들의 세포벽에 관한 것이었습니다. 박테리아의 외표면은 세포벽 다당류(cell wall polysaccharide)라고 불리는 당 성분으로 덮여 있는데, 이는 바이러스가 세포에 침입하고 감염되는 데 사용하는 특정 열쇠 구멍 역할을 합니다. 연구진은 배양 내에서 가장 흔한 유형의 이 당 성분이 전체 인구의 거의 30%를 차지함에도 불구하고, 실험실에서 키운 박테리아들에서는 완전히 결여되어 있다는 것을 발견했습니다. 이는 실험실에서 키운 박테리아들이 실제 배양 내에서 가장 풍부한 종들이 아니었음을 의미하며, 즉 과학자들이 키우는 데 실패한 것들이 바로 가장 흔한 박테리아들이었다는 뜻입니다. 실험실에서 배양된 박테리아들은 주로 이 당 성분의 덜 흔한 버전들을 가지고 있었는데, 이는 실험실의 배양 조건이 특정하고 덜 지배적인 그룹에 유리하게 작용했음을 시사합니다.

세포벽 외에도, 연구진은 박테리아가 바이러스에 맞서 스스로를 방어하는 데 도움이 되는 다른 유전적 특징들을 살펴보았습니다. 그들은 박테리아 DNA 내부에 숨어 있는 바이러스인 프로파지(prophage)와 박테리아가 공격을 막아내기 위해 사용하는 다양한 방어 체계를 조사했습니다. 그들은 이러한 방어 도구들이 수많은 조합으로 섞여 있다는 것을 발견했습니다. 핵심 유전 코드가 거의 동일해 보이는 박테리아조차도 서로 다른 방어 체계와 숨겨진 바이러스를 보유하고 있었습니다. 이러한 다양성은 공동체를 위한 방패 역할을 합니다. 만약 바이러스가 한 종류의 박테리아를 공격한다면, 다른 방어 체계를 가진 다른 박테리아들이 살아남아 치즈 제조 과정을 지속할 수 있기 때문입니다. 이 연구는 이러한 방어적 다양성이 단지 실험실에서 키운 균주들만을 관찰했을 때보다 훨씬 더 크다는 것을 보여주었습니다.

연구팀은 또한 박테리아들이 서로 교환할 수 있는 작은 DNA 루프인 플라스미드(plasmid)라고 불리는 이동성 유전 요소들을 조사했습니다. 이러한 플라스미드는 종종 우유 설탕을 소화하거나 단백질을 분해하는 데 필요한 것과 같이 치즈를 만드는 데 필수적인 유전자들을 운반합니다. 연구진은 이 플라스미드들 또한 매우 다양하며, 서로 다른 균주들에 의해 다양한 조합으로 운반된다는 것을 발견했습니다. 그들은 DNA의 화학적 표식을 읽는 특수 기술을 사용하여, 실험실에서 키우지 않은 박테리아들이 어떤 플라스미드를 운반하고 있는지까지 연결하여 파악할 수 있었습니다. 이를 통해 동일한 플라스미드가 서로 다른 종에서 발견될 수 있으며, 종 사이를 이동하며 공동체 전체에 중요한 형질을 퍼뜨린다는 것을 확인할 수 있었습니다.

연구는 이 유제품 스타터의 복잡성이 단순히 많은 종을 보유하고 있다는 점이 아니라, 단 몇 개의 종 안에서도 존재하는 방대한 유전적 조합의 수에 관한 것이라고 결괄짓습니다. 연구진은 실험실에서 박테리아를 키우는 방식이나 혼합물의 DNA를 직접 읽는 방식 중 그 어떤 단일 방법도 전체 그림을 포착할 수 없다는 것을 발견했습니다. 실험실 방식은 가장 풍부한 균주들을 놓쳤고, 직접적인 DNA 읽기는 어떤 특정 균주가 어떤 유전자를 가지고 있는지 항상 알려주지는 못했습니다. 두 가지 접근 방식을 결합해야만 그들은 진정한 다양성의 범위를 이해하기 시작할 수 있었습니다. 세포벽, 방어 체계, 그리고 이동성 DNA를 포함하는 이 숨겨진 다양성은 공동체에 강력한 바이러스 저항 능력을 제공합니다. 이번 연구 결과는 이러한 전통적인 스타터의 회복력이 과학자들이 여러 관점을 통해 공동체를 바라볼 때 비로소 드러나는 깊은 조합적 다양성에서 비롯된다는 점을 시사합니다.