Population Structure and Antimicrobial Resistance Gene Transfer of Respiratory Escherichia coli Isolated from Swine in China
이 연구는 중국 전역의 돼지 호흡기에서 분리된 에스케리키아 콜라이(Escherichia coli) 균주가 주로 플라스미드와 같은 이동성 유전 요소에 의해 운반되는 다양하고 매우 전파력이 높은 항생제 내성 유전자의 중요한 저장소 역할을 하며, 이는 원 헬스(One Health) 체계 하에서 인간과 환경으로의 다제내성 확산에 상당한 위험을 초래한다는 것을 밝히고 있다.
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돼지는 사람처럼 폐렴과 같은 호흡기 감염병에 취약하며, 이는 치명적일 수 있습니다. 이러한 동물들이 병에 걸리면 농가에서는 흔히 항생제를 사용하여 치료하는데, 이는 전 세계 양돈 산업에서 표준적인 관행이 되었습니다. 그러나 이러한 의약품의 광범위한 사용에는 숨겨진 결과가 있습니다. 바로 박테리아가 방어 기제를 진화시켜 더 이상 치료에 반응하지 않는 변종을 만들도록 유도한다는 점입니다. 항생제 내성이라고 알려진 이 현상은 공중 보건의 위기로 부상하고 있습니다. 이러한 감염을 일으키는 박테리아는 농장에만 국한되지 않습니다. 이들은 새로운 방어 기제를 지닌 채 동물, 환경, 그리고 인간 사이를 이동할 수 있습니다. 과학자들은 이 과정이 어떻게 일어나는지 이해하기 위해 박테리아의 유전 코드를 조사하며, 항생제로부터 살아남게 하는 특정 지침과 그 지침을 이웃에게 전달하는 데 도움을 주는 운반체를 찾습니다.
중국 화중 농업 대학교의 연구팀은 아픈 돼지의 폐에서 발견되는 특정 박테리아 집단을 조사함으로써 이 문제에 깊이 파고들었습니다. 그들은 외인성 병원성 대장균(extraintestinal pathogenic Escherichia coli, ExPEC)이라 불리는 유형의 박테리아에 집중했습니다. 이 박테aria는 흔히 장(gut)과 연관되어 있지만, 연구진은 돼지의 호흡기에 침투하여 폐렴을 일으키는 변종들에 주목했습니다. 연구진은 2022년에서 2024년 사이 중국 중부 지역의 돼지 농장에서 새로 분리된 54개의 변종과 공공 과학 데이터베이스에서 발견된 388개의 추가 변종을 결합하여 총 442개의 방대한 박테리아 샘 샘플을 수집했습니다. 이 박테리아들의 전체 유전 구조를 시퀀싱함으로써, 연구팀은 이들의 가계도를 그려내고 각각의 내성 유전자를 목록화하여, 이 위험한 특성들이 어떻게 조직되어 있으며 얼마나 쉽게 퍼질 수 있는지 파악하고자 했습니다.
조사 결과, 중국 돼지의 폐 감염을 일으키는 박테리아는 매우 다양하며 많은 서로 다른 유전적 가문에 속해 있었으나, 매우 우려스러운 공통점을 공유하고 있었습니다. 바로 내성 유전자로 가득 차 있다는 점입니다. 연구진은 박테리아를 보호하는 111가지의 서로 다른 유형의 유전자를 발견했습니다. 가장 흔한 방어 기제는 농업에서 자주 사용되는 약물 계열인 설폰아미드(sulfonamides), 클로람페니콜(chloramphenicol), 테트라사이클린(tetracyclines)에 대한 것이었습니다. 더욱 놀라운 점은, 연구팀이 인간의 심각한 감염 치료에 필수적인 '최후의 보루' 항생제인 카바페넴(carbapenems)과 콜리스틴(colistin)에 대한 내성을 부여하는 유전자를 탐지했다는 것입니다. 이러한 고수준 내성 유전자가 모든 샘플에서 발견된 것은 아니지만, 돼지 집단 내에서의 존재는 심각한 위험 신호입니다. 박테리아는 단 하나의 약물에만 내성을 가진 것이 아니라, 종종 여러 약물에 내성을 보이며, 단일 변종이 평균 13개의 서로 다른 내성 유전자를 보유하고 있으며 일부는 무려 25개까지 보유하고 있습니다.
이 상황을 특히 위험하게 만드는 것은 단순히 유전자의 존재 자체가 아니라, 그것들의 이동 능력입니다. 연구진은 각 내성 유전자의 유전적 맥락을 분석하여, 해당 유전자가 박테리아 사이에서 유전 물질을 전달하는 셔틀 역할을 하는 플라스미드(plasmid)와 같은 이동 가능한 DNA 조각 위에 놓여 있는지 확인했습니다. 그 결과, 탐지된 모든 내성 유전자의 거의 77%가 이러한 이동성 요소에 위치하고 있음을 발견했습니다. 이는 박테리아가 서로 다른 종의 박테리아에게도 자신들의 방어 기제를 공유할 수 있는 내장된 메커니즘을 갖추고 있음을 의미합니다. 이러한 전달의 주요 운반체는 플라스미드였으며, 특히 여러 내성 유전자를 한꺼번에 운반하는 데 탁월한 IncF 계열의 가족이었습니다. 또한 연구는 네 가지 특정 내성 유전자가 자주 함께 이동하며, 아미노글리코사이드(aminoglycosides), 설폰아미드, 클로람페니콜에 동시에 내성을 갖게 하는 강력한 조합을 만들어낸다는 것을 확인했습니다.
유전자가 정확히 어떻게 이동하는지 보기 위해, 연구진은 대표적인 박테리아 변종을 선택하여 그 플라스미드를 정밀하게 시퀀싱했습니다. 그들은 8개의 서로 다른 내성 유전자를 운반하는 플라스미드 하나와 4개를 운반하는 또 다른 하나를 포함한 두 개의 완전한 플라스미드를 발견했습니다. 이 플라스미드들은 다른 숙주의 다른 박테리아에서 이전에 관찰되었던 것들과 매우 유사했는데, 이는 이러한 유전적 셔틀들이 동물계 전반에 걸쳐 자유롭게 이동하고 있음을 시사합니다. 이 연구는 호흡기 감염을 앓는 돼지가 단순히 국소적인 질병을 앓고 있는 것이 아니라, 복잡하고 이동성이 높은 내성 유전자 집단의 저장소 역할을 하고 있음을 확인해 줍니다. 이 박테리아들은 배설물을 통해 환경으로 배출되거나 먹이사슬로 유입될 수 있기 때문에, 이들이 가진 내성 특성은 인간에게 도달할 잠재력이 있습니다. 이번 연구 결과는 돼지의 폐에 서식하는 박테리아가 인간의 감염 치료에 사용되는 항생제의 효과를 저해할 수 있는 유전 물질의 중요한 원천임을 입증하며, 양돈 생산 분야에서 더 나은 감시와 통제 조치가 시급함을 강조합니다.
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