Bacillus cereus MHI 86 and Bacillus thuringiensis 5-29 both produce the antilisterial bacteriocin thuricin S – analysis of antimicrobial spectrum, stability, and producer strain suitability, including cytotoxicity evaluation

식품 안전은 유해한 박테리아를 저지하는 것과 그들을 막기 위해 사용하는 방법이 새로운 위험을 도입하지 않도록 보장하는 것 사이의 섬세한 균형에 달려 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 자연에서 해결책을 찾기 위해 노력해 왔으며, 박테리오신(bacteriocins)이라 불리는 물질 그룹에 주목해 왔습니다. 이것들은 특정 박테리아가 자신의 경쟁자를 물리치기 위해 만들어내는 아주 작은 단백질입니다. 이것을 하나의 자연적인 방어 체계라고 생각하십시오. 즉, 한 미생물이 다른 미생물을 무력화하기 위해 특별히 설계된 무기를 생산하는 것입니다. 이러한 물질 중 많은 것들이 잘 알려져 있지만, 바실러스(Bacillus) 속 박테리아가 생산하는 것들은 토양에서 우리가 먹는 음식에 이르기까지 어디에나 존재하기 때문에 특히 흥미롭습니다. 그러나 이들을 도구로 사용하려면 단순히 나쁜 세균을 죽이는 박테리아를 찾는 것 이상의 과정이 필요합니다. 연구자들은 그 생산자 자체가 안전하다는 것을 증명해야 하며, 그 무기가 열이나 산도 변화와 같은 가혹한 식품 가공 조건을 견뎌낼 만큼 충분히 강력하다는 것을 입증해야 합니다.

최근 한 연구에서 연구진은 바실러스 세레우스(Bacillus cereus) 가족과 그와 밀접하게 관련된 바실러스 투린기엔시스(Bacillus thuringiensis) 가족에서 유래한 두 가지 특정 박테리아 균주를 조사했습니다. 두 균주는 모두 식품 샘플에서 처음 분리되었으며, 투리신 S(thuricin S)라고 알려진 강력한 물질을 생성할 것으로 의심되었습니다. 이 물질은 냉장 식품에서 살아남아 심각한 질병을 일으킬 수 있는 위험한 병원균인 리스테리아 모노사이토제네스(Listeria monocytogenes)를 표적으로 삼는 능력으로 유명합니다. 연구팀은 이 두 가지 서로 다른 박테리아가 본질적으로 동일한 일을 하고 있는지, 이 무기를 어떻게 만드는지, 그리고 실제 세상에서 사용하기에 충분히 안전한지를 알고 싶었습니다. 그들은 단순히 박테리아가 다른 세균을 죽이는지 여부만 본 것이 아니라, 물질을 만드는 지침서가 어떻게 작성되었는지 확인하기 위해 유전 코드를 깊이 파고들었으며, 단백질의 정확한 크기를 측정하고, 열, 산, 소화 효소에 대해 얼마나 잘 견디는지 테스트했습니다.

조사는 두 박테리아 균주를 영양이 풍부한 액체에서 배양하고 시간이 흐름에 따라 관찰하는 것으로 시작되었습니다. 연구진은 두 박테리아 모두 급격한 성장 단계에 진입하면서 항균 물질을 생산하기 시작하며, 8시간 후에 활동이 명확하게 감지된다는 것을 발견했습니다. 한 균주인 바실러스 세레우스 MHI 86은 다른 균주인 바실러스 투린기엔시스 5–29보다 약간 더 강한 활성을 보였지만, 둘 다 효과적이었습니다. 과학자들이 리스테리아의 성장을 멈추는 데 필요한 물질의 양을 측정했을 때, 매우 적은 양으로도 충분하다는 것을 발견했습니다. B. cereus 균주는 병원균을 억제하기 위해 약 5.73 마이크로그램/밀리리터가 필요했던 반면, B. thuringiensis 균주는 약 10.77 마이크로그램/밀리리터가 필요했습니다. 이를 비교하기 위해 표준 항생제를 사용했을 때 단 0.20 마이크로그램/밀리리터의 농도에서도 효과적이었음을 보여주었는데, 이는 이 박테리오신이 강력하기는 하지만 전통적인 약물만큼 강력하지는 않으면서도 자연적인 대안을 제공한다는 점을 시사합니다.

이 박테리아들이 어떻게 무기를 구축하는지 이해하기 위해 연구진은 그들의 유전적 청사진을 살펴보았습니다. 그들은 두 균주 모두가 투리신 S를 만드는 데 책임이 있는 특정 유전자 세트를 보유하고 있다는 것을 발견했습니다. 이 유전자들은 반복되는 패턴으로 배열되어 있었는데, 세 개의 지침 서열이 하나씩 차례로 나열되어 있었습니다. 이러한 배열은 다른 관련 박테리아에서 관찰된 것과 유사하며, 이는 이러한 물질을 생산하기 위한 공통된 진화 전략을 시사합니다. 연구팀은 또한 이 유전자들이 언제 켜지는지도 확인했습니다. 그들은 박테리아가 8시간의 성장 시점부터 박테리오신에 대한 유전적 지침을 일관되게 생산한다는 것을 발견했으며, 이는 항균 활성이 처음 관찰된 타이밍과 일치했습니다. 이는 박테리아가 단순히 물질을 저장하는 것이 아니라 성장 단계 동안 활발하게 제조하고 있음을 확인시켜 주었습니다.

다음으로, 과학자들은 이 물질이 정확히 어떻게 생겼으며 무게가 얼마인지 확인해야 했습니다. 그들은 박테리아가 자란 액체에서 물질을 정제하고 일련의 테스트를 거쳤습니다. 분자 크기에 따라 단백질을 분리하는 한 테스트에서는 약 3.1 킬로달톤(분자의 질량을 측정하는 단위)에서 뚜렷한 띠가 나타났습니다. 더 정밀한 측정을 위해 그들은 개별 분자의 무게를 재는 첨단 기계를 사용했습니다. 이 분석 결과, 주요 활성 물질의 질량은 3137.6 달톤임이 밝혀졌습니다. 이 특정 무게는 알려진 투리신 S의 프로필과 일치하였으며, 이는 두 박테리아가 실제로 동일한 유형의 무기를 생산하고 있음을 확인해 주었습니다. 그들은 또한 약간 더 작은 버전의 물질도 발견했는데, 이는 변종이거나 약간 변형된 형태일 수 있지만, 주요 활성 성분은 명확히 식별되었습니다.

어떤 식품 보존제든 진정한 시험은 그것이 직면할 실제 환경 조건에서 살아남을 수 있는지 여부입니다. 연구진은 정제된 물질을 다양한 스트레스 상황에 노출시켰습니다. 그들은 이 물질이 산성 및 중성 환경에서도 완전히 활성을 유지하며, pH 3에서 7 사이의 수준에서도 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 이는 발효 육류나 치즈와 같은 많은 식품이 산성이라는 점에서 매우 중요합니다. 또한 열에 대한 저항성도 테스트했습니다. 이 물질은 80도 섭씨로 가열한 후에도 89% 이상의 살균력을 유지했으며, 100도 섭씨로 끓인 후에도 87%의 활성을 유지했습니다. 그러나 온도를 멸균에 사용되는 극단적인 수준인 121도 섭씨까지 높였을 경우, 활성이 크게 떨어졌습니다. 이는 이 물질이 강하긴 하지만 불멸의 존재는 아니며, 가장 높은 멸균 온도가 적용되는 식품에는 사용하지 않는 것이 좋을 수도 있음을 시사합니다.

연구진은 또한 이 물질이 우리 몸이나 식품 속에 있는 단백질을 분해하는 단백질인 효소에 어떻게 반응하는지 확인했습니다. 소화 과정에서 흔히 볼 수 있는 트립신(trypsin)이나 키모트립신(chymotrypsin)과 같은 효소로 처리했을 때, 물질은 대체로 활성을 유지했습니다. 그러나 매우 강력한 효소인 프로테아제 K(proteinase K)를 사용했을 때는 물질이 완전히 파괴되었습니다. 이 결과는 이 무기가 정말로 단백질임을 확인시켜 주었습니다. 왜냐하면 단백질을 분해하도록 설계된 효소에 의해 분해되었기 때문입니다. 하지만 식품이나 인간의 장 내에서 마주칠 수 있는 완만한 효소들은 견뎌낼 만큼 견고했습니다.

아마도 이 연구에서 가장 중요한 부분은 이 무기를 생산하는 박테리아가 안전한지 확인하는 것이었을 것입니다. 바실러스 세레우스는 때때로 식중독을 일으킬 수 있는 종이므로, 연구진은 이 특정 균주들이 해로운 독소를 생성하지 않는다는 것을 확신해야 했습니다. 그들은 박테리아가 설사와 관련된 독소인 비용혈성 장독소(non-hemolytic enterotoxin)를 생성하는지 테스트했으며, 독소 생성을 촉진하는 조건에서도 두 균주 모두에서 감지 가능한 양의 독소가 생성되지 않음을 발견했습니다. 또한, 실험실에서 배양된 인간 장 세포에 대한 박테리아 액체의 안전성을 테스트했습니다. 두 균주의 액체는 세포에 손상을 입히지 않았으나, 알려진 독성 균주의 액체는 상당한 손상을 입혔습니다. 이러한 안전 프로필은 이 박테리아가 새로운 건강 위험을 도입하지 않고도 식품을 보호하는 데 사용될 수 있음을 의미하므로 매우 필수적입니다.

연구는 바실러스 세레우스 MHI 86과 바실러스 투린기엔시스 5–29 모두 투리신 S를 생산하기 위한 훌륭한 후보라고 결론짓습니다. 이들은 리스테리아 및 다른 유해한 박테리아를 효과적으로 표적으로 삼을 수 있는 강력하고 안정적이며 안전한 물질을 생성합니다. 이 물질은 열과 산성에 견딜 수 있으므로, 특히 가공 과정 중에 오염될 가능성이 있는 저온 살균 식품을 보존하는 데 유망합니다. 이 연구는 이 박테리아들이 어떻게 무기를 만드는지, 그 무기가 어떻게 작동하는지, 그리고 왜 안전한지에 대한 명확한 그림을 제공하며, 전통적인 화학 보존제에만 의존하지 않고 우리의 식품 공급을 더 안전하게 유지하기 위한 잠재적인 새로운 도구를 제시합니다.