Genetic Diversity, Population Structure, and Intra-Host Variation of Mycobacterium avium subsp. hominissuis in Fattening Pigs

자연계의 조용한 구석진 곳에는 미생물인 박테리아가 우리를 둘러싼 토양, 물, 먼지 속에 살고 있습니다. 이러한 유기체 대부분은 해롭지 않지만, 몇몇은 동물이나 사람의 몸속으로 들어갈 경우 문제를 일으킬 수 있습니다. Mycobacterium avium subspecies hominissuis라고 알려진 이러한 박테리아 중 하나는 기회감염균입니다. 이는 이들이 감염할 기회를 기다리며, 돼지, 인간, 그리고 때로는 다른 동물들에게 침투할 수 있는 환경에서 번성한다는 것을 의미합니다. 돼지의 경우, 이 감염은 동물이 도축장에 보내질 때까지 눈에 띄는 질병 증상 없이 숨어 있는 경우가 많으며, 도축업자들은 림프절에서 질병의 징후를 찾습니다. 농부들에게 이러한 징후를 발견하는 것은 고기를 폐기해야 하므로 금전적 손실을 의미합니다. 공중 보건 측면에서는 이 박테리아가 식품 공급망을 통해 어떻게 이동하는지 이해하는 것이 매우 중요한데, 특히 종간 전파가 가능하기 때문입니다. 과학자들의 큰 질문은 항상 이것이었습니다: 이 박테리아는 어디에서 오며, 복잡한 돼지 농장 네트워크를 통해 어떻게 퍼져 나가는가?

취리히 대학교의 연구팀은 스위스 돼지에서 발견된 박테리아의 유전적 구성을 면밀히 조사함으로써 이 질문에 답하기로 했습니다. 연구진은 2015년에서 2022년 사이에 도축된 120마리의 돼지로부터 조직 샘 샘플을 수집했습니다. 이 동물들은 스위스 13개 지역에 걸친 64개의 서로 다른 출생 농장과 75개의 서로 다른 비육 농장에서 왔습니다. 연구진은 감염의 신호가 되는 작은 매듭 모양의 덩어리인 육아종성 병변을 보이는 돼지에 관심을 가졌습니다. 그들은 턱과 배의 림프절뿐만 간, 폐, 심지어 근육 조직을 포함한 신체의 다양한 부위에서 샘플을 채취했습니다. 그들의 목표는 단순히 박테리아의 존재를 확인하는 것뿐만 아니라, 발견된 균주의 유전적 다양성을 지도화하여 본질적으로 그들이 서로 얼마나 연관되어 있는지 보여주는 가계도를 만드는 것이었습니다.

이를 위해 과학자들은 변이 수 반복 타이핑(variable-number tandem repeat typing)이라는 방법을 사용했습니다. 박테리아의 DNA를 긴 코드의 줄이라고 상상해 보십시오. 이 줄의 특정 지점에서 박테리아는 특정 서열의 글자를 계속해서 반복합니다. 이러한 서열이 반복되는 횟수는 박테리아마다 다를 수 있으며, 이는 고유한 지문처럼 작용합니다. 15개 위치에서 이러한 반복을 세고 또한 hsp65라고 불리는 특정 유전자를 읽음으로써, 연구진은 높은 정밀도로 서로 다른 균주를 구별할 수 있었습니다. 연구진은 실험실에서 성공적으로 배양한 342개의 박테리아 샘플 중에서 84개의 뚜렷한 유전적 유형을 발견했습니다. 이는 단 한두 번만 나타나는 수많은 희귀 변이와 함께, 반복해서 나타나는 소수의 우세한 균주들로 가득 찬 믿기 힘들 정도로 다양한 인구 집단을 드러냈습니다.

이 연구는 이러한 감염이 퍼지는 방식에 있어 놀라운 수준의 복잡성을 밝혀냈습니다. 거의 절반에 가까운 돼지들(117마리 중 56마리)이 두 가지 이상의 서로 다른 균주에 동시에 감염되어 있었습니다. 어떤 경우에는 단 한 마리의 동물이 최대 6가지의 서로 다른 균주를 보유하기도 했습니다. 이는 돼지가 단 하나의 병균을 잡아 걸려 유지하는 것이 아니라, 환경으로부터 다양한 박테리아 변이에 지속적으로 노출되고 있음을 시사합니다. 연구진은 이러한 혼합 감염이 서로 다른 동물들 사이에서뿐만 아니라 동일한 동물의 몸 안에서도 흔하다는 것을 발견했습니다. 그들은 동일한 균주가 여러 장기에서 발견되는 것을 확인하여 광범위한 감염을 나타내는 동시에, 같은 조직 내에서 서로 다른 균주가 공존하고 있다는 것도 발견했습니다. 이 패턴은 박테리아가 다른 돼지로부터 전염되어 연쇄 반응처럼 퍼지는 것이 아니라, 돼지들이 농장의 토양, 물 또는 깔짚으로부터 박테리아에 반복적으로 노출되고 있다는 아이디어를 강력하게 뒷받у합니다.

연구팀이 발생의 지리적 위치를 살펴보았을 때, 가장 흔한 균주들은 특정 지역에 갇혀 있지 않았음을 발견했습니다. 대신, 동일한 우세 균주들이 여러 칸톤(canton)과 연도에 걸쳐 흩어진 농장들에서 발견되었습니다. 서로 가까이 있는 농장들이 동일한 균주를 공유할 가능성이 약간 더 높았지만, 그 차이는 거리가 주요 요인임을 입증할 만큼 유의미하지 않았습니다. 박테리아는 마치 어디에나 있는 것처럼, 연결성이 높은 스위스 돼지 사육 시스템을 통해 이동하고 있었습니다. 연구진은 자신들의 발견을 다른 국가의 가축 및 인간 데이터와 비교했습니다. 그들은 스위스 돼지에서 발견된 것과 정확히 일치하는 일부 박테리아 균주가 스위스의 소와 네덜란드 및 일본의 인간에게서도 존재한다는 것을 발견했습니다. 이러한 공유된 유전적 정체성은 동물, 사람, 그리고 환경의 건강이 깊게 연결되어 있다는 것을 인식하는 "원 헬스(One Health)" 개념을 강화합니다.

가장 놀라운 발견 중 중 하나는 박테리아가 보통 질병이 발견되는 림프절에 국한되지 않는다는 것이었습니다. 연구진은 육안으로는 완벽하게 건강해 보이는 5개의 근육 샘플에서 박테리아를 성공적으로 배양했습니다. 이 모든 사례에서 박테리아는 간이나 폐와 같은 다른 장기에서도 발견되었습니다. 이는 육안으로 질병 징후가 보이지 않더라도 감염이 식용 근육 조직으로 퍼질 수 있음을 확인시켜 줍니다. 비록 이 연구가 이 고기를 먹는 것이 인간에게 질병을 일으킨다는 것을 증명하는 것은 아니지만, 육류 검사관들이 놓칠 수 있는 잠재적인 노출 경로를 강조합니다. 연구는 또한 다른 유형의 박테テリア들도 발견되었지만, 병변의 대다수는 이 특정 Mycobacterium 균주에 의해 발생했다는 점을 언급하며 이 균이 이러한 사례들의 주요 원인임을 확인했습니다.

연구진은 스위스 돼지 내의 이 박테리아 집단이 환경에 대한 반복적인 노출에 의해 주도된다고 결론지었습니다. 높은 유전적 다양성, 많은 희귀 균주의 존재, 그리고 단일 동물 내에서의 빈번한 균주 혼합은 모두 돼지들이 평생 동안 주변 환경으로부터 박테리아를 습득하고 있다는 점을 가리킵니다. 곳곳에서 나타나는 소수의 우세한 균주들은 일부 변이들이 사육 시스템을 통해 생존하고 퍼지는 데 특히 뛰어나다는 것을 시사하지만, 이들은 독특하고 지역적인 변이들의 바다에 둘러싸여 있습니다. 이 연구는 이 박테리아가 어떻게 이동하는지에 대한 더 명확한 그림을 제공하며, 이들이 단순히 한 돼지에서 다른 돼지로 이어지는 단순한 감염 사슬이 아니라, 농장, 동물, 그리고 잠재적으로 전 세계 사람들을 아우르는 복잡한 환경 노출의 그물망임을 보여줍니다. 이러한 다양성을 이해함으로써 과학자들과 농부들은 이 보이지 않는 위협을 더 잘 추적하고 식품 공급을 안전하게 유지하기 위한 전략을 개발할 수 있습니다.