Phylogenetic and Genomic Analysis of Multi-resistance in Salmonella Enterica

우리가 식중독을 일으키는 미생물을 죽이기 위해 사용하는 약물들을 단순히 무시하는 법을 배우는 것을 넘어, 우리가 집과 병원을 깨끗하게 유지하기 위해 사용하는 바로 그 물질들 때문에 더 강해지고 있는 미생물의 세상을 상상해 보십시오. 이것은 사람들에게 열과 복통을 일으키는 흔한 세균인 *살모넬라 엔테리카(Salmonella enterica)*에 관한 이야기이며, 아프리카에서 이들이 어떻게 진화하고 있는지에 대한 이야기입니다. 과학자들은 우리가 항생제를 너무 많이 사용하면 박테리아가 이에 살아남기 위해 변화할 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 하지만 더 새롭고 복잡한 아이디어가 있습니다. 박테리아가 다른 화학 물질, 예를 들어 광산 배수물에 포함된 중금속이나 우리 비누에 들어있는 소독제에 노출됨으로써 생존할 수도 있다는 것입니다. 이러한 비의료용 화학 물질들이 의도치 않게 박테리아에게 실제 의약품에 저항하는 법을 가르칠 수 있습니다. 이는 박테리아가 독성 금속을 밀어내는 데 사용하는 동일한 생물학적 도구가 항생제 또한 밀어낼 수 있기 때문에 발생합니다. 이 숨겨진 연결 고리를 이해하는 것은 매우 중요합니다. 왜냐로 인해 우리가 항생제 사용은 중단하더라도 다른 화학 물질들을 무시한다면, 박테리아는 여전히 초강력 내성을 갖게 될 수도 있기 때문입니다.

제노맥 연구소(Genomac Institute)의 연구팀은 이것이 아프리카 대륙 전역에서 정확히 어떻게 일어나고 있는지 지도를 그리기 위해 나섰습니다. 그들은 20개의 서로 다른 살모넬라 샘플로부터 유전적 청사진인 게놈(genome)을 수집했습니다. 이 샘판들은 인간의 혈액과 대변, 닭과 소 같은 가축, 그리고 참깨와 생닭 같은 식품을 포함한 매우 다양한 출처에서 모였습니다. 샘플은 탄자니아와 나이지리아부터 남아프리카 공화국과 민주콩고에 이르기까지 11개국에서 2019년부터 2025년까지의 기간 동안 수집되었습니다. 연구진은 이 세균들의 DNA를 조사함으로써, 이들이 어떤 약물에 저항할 수 있는지뿐만 아니라, 이들이 서로 어떻게 연관되어 있는지, 그리고 어떤 환경적 압력이 이들을 형성했는지도 볼 수 있었습니다.

과학자들이 발견한 첫 번째 사실은 이 박테리아들이 국경을 넘어 끊임없이 이동하고 있다는 것이었습니다. 샘플들이 서로 다른 국가에서 왔음에도 불구하고, 유전적 분석 결과 많은 박테리아가 서로 밀접하게 연관되어 있어 국경을 넘나드는 가족 그룹을 형성하고 있음을 보여주었습니다. 예를 들어, 나이지리아에서 발견된 박테리아는 튀니지에서 발견된 것과 유전적으로 매우 유사했으며, 케냐의 균주들은 말라위의 균주들과 밀접하게 일치했습니다. 이는 박테리아가 한 국가에 갇혀 있는 것이 아니라, 무역 경로와 가축 및 식품의 이동을 통해 여행하고 있음을 시사합니다. 그러나 연구진은 박테리아의 약물 저항 능력이 그들의 가계도와 결부되어 있지 않다는 점도 발견했습니다. 두 박테aria는 유전적으로 매우 밀접할 수 있지만, 완전히 다른 저항 프로필을 가질 수 있습니다. 이는 약물 저항 유전자가 부모로부터 자식에게 천천히 전달되는 것이 아니라, 쉽게 공유될 수 있는 이동성 DNA 조각들에 의해 박테리아 사이를 매우 빠르게 뛰어다니고 있음을 의미합니다.

가장 놀라운 발견 중 하나는 이 박테리아들이 시프로플록사신(ciprofloxacin)을 포함한 플루오로퀴놀론(fluoroquinolones) 계열의 특정 약물에 어떻게 저항하는지에 관한 것이었습니다. 보통 과학자들은 박테리아 세포벽의 특정 펌프가 이 저항의 주요 원인일 것이라고 예상합니다. 하지만 이 아프리카 샘플들에서는 더 흔한 것 대신 AcrEF-TolC라고 불리는 다른 펌프가 저항의 주된 동력으로 작용했습니다. 이는 중요한데, 시프로플록사신은 침습성 살모넬라 감염을 치료하는 데 필수적인 약물이며, 만약 박테리아가 이를 저항하기 위해 다른 메커니즘을 사용하고 있다면 의사들이 환자를 효과적으로 치료하기 위해 이를 이해해야 하기 때문입니다. 또한 연구는 박테리아가 항생제뿐만 아니라 우리가 청결을 위해 사용하는 화학 물질에도 저항하고 있다는 것을 발견했습니다. 연구진은 비누에 들어있는 트리클로산(triclosan)이나 많은 세정제에 들어있는 4급 암모늄 화합물과 같은 소독제 노출에서 박테리아가 살아남도록 돕는 유전자와 항생제 저항성을 만드는 유전자 사이에 강력한 연결 고리가 있음을 발견했습니다. 이는 우리가 이러한 세정 제품을 사용하는 것이 의도치 않게 약물로 죽이기 더 어려운 박테리아를 선택할 수 있음을 확인시켜 줍니다.

조사는 광업 및 산업 활동으로 인해 환경에 존재하는 경우가 많은 중금속에 대해서도 수행되었습니다. 연구는 금, 아연, 은과 같은 금속 노출에서 박테리아가 생존할 수 있게 하는 유전자들이 강력한 항생제에 대한 저항력을 부여하는 유전자들과 바로 옆에 위치하는 경우가 많다는 것을 발견했습니다. 샘플이 채취된 여러 국가에서 금광업은 주요 산업이며, 아연은 동물의 성장을 돕기 위해 가축 사료에 흔히 첨가됩니다. 연구진은 이러한 활동으로부터 발생하는 오염이 박테리아에 지속적이고 낮은 수준의 압력을 가한다고 결론지었습니다. 이 압력은 박테리아가 방어 시스템을 계속 활성화하도록 강요하며, 그렇게 함으로써 항생제에 대한 저항성 또한 활성 상태로 유지하게 만듭니다. 이는 한 가지 위협에서 살아남는 것이 자동으로 다른 위협에 대해서도 더 강하게 만드는 교차 저항(cross-resistance)의 사례입니다.

연구진은 또한 박테리아가 이러한 방어 시스템을 어떻게 제어하는지도 살펴보았습니다. 그들은 박테리아가 저항 펌프를 켜고 끄기 위해 정교한 내부 스위치 네트워크를 사용한다는 것을 발견했습니다. 흥미롭게도, 이 연구의 박테리아들은 세계 다른 지역에서 흔히 볼 수 있는 특정 스위치 하나에 의존하지 않았습니다. 대신 그들은 다른 일련의 조절 인자들을 사용했는데, 이는 아프리카의 균주들이 현지 환경에 따라 자신들의 방어를 관리하기 위해 독특한 방식으로 진화했음을 시사합니다. 연구는 박테키아의 핵심 DNA(어떤 종류의 세균인지를 정의하는 것)는 대륙 전역에서 매우 안정적이고 유사하게 유지되었지만, 저항 유전자를 운반하는 추가 DNA는 매우 가변적이고 끊임없이 변한다는 것을 보여주었습니다. 이는 박테리아들이 서로 연관되어 있지만, 치료 저항성 감염을 일으키는 능력은 지역적 조건에 의해 빠르게 재편되고 있음을 의미합니다.

궁극적으로 이 연구는 박테리아가 단순히 우리가 약물을 어떻게 사용하는지 때문만이 아니라, 우리가 환경을 어떻게 관리하는지 때문에 승리하고 있다는 복잡한 전투의 모습을 그려냅니다. 연구는 아프리카에서 약물 저항성 살모넬라와 싸우기 위해서는 더 넓은 접근 방식이 필요함을 시사합니다. 병원과 농장에서의 항생제 사용을 통제하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 연구 결과는 광산의 중금속 배출을 규제하고 세정 제품에 사용되는 특정 살균제의 사용을 통제하는 것이 똑같이 중요하다는 것을 나타냅니다. 이러한 환경적 압력이 해결되지 않는다면, 박테리아는 계속해서 진화하고 저항 유전자를 공유하여 치료를 더 어렵게 만들 것입니다. 연구진은 이 지역 국가들이 국경을 넘어 박테리아를 모니터링하고, 산업 오염을 규제하며, 항생제가 아닌 화학 물질의 사용을 관리함으로써 저항성을 유발하는 순환 고리를 끊기 위해 협력할 것을 권고합니다. 이 박테리아들이 어떻게 생존하는지에 대한 전체적인 그림(그들의 가계사부터 매일 접하는 화학 물질까지)을 이해함으로써, 우리는 공중 보건을 보호하기 위한 더 나은 전략을 개발할 수 있습니다.