Construction and Characterization of an mCherry-Labeled Lactiplantibacillus plantarum L3 Strain for Intestinal Distribution Studies

프로바이오틱스를 삼킨 후 그것이 어디로 가는지 이해하기 위해, 과학자들은 어려운 문제에 직면해 있다. 인간의 장은 어둡고, 북적거리며, 복잡한 환경이기 때문이다. 그 안에는 수십억 마리의 천연 박테리아가 살며 활동하고 있는데, 이로 인해 사람이 보충제로 섭취한 유익한 박테리아와 원래 그곳에 살고 있던 박테리아를 구별하는 것이 거의 불가능하다. 이를 해결하기 위해, 연구자들은 종종 도입된 박테리아에 눈에 보이는 표식을 달아 놓으려 노력하는데, 이는 마치 어두운 숲속에서 특정 동물의 경로를 추적하기 위해 작은 빛나는 스티커를 붙이는 것과 같다. 이를 통해 연구자들은 도입된 박테리아가 정확히 어디로 이동하고 얼마나 오래 머무는지 볼 수 있다. 하지만 태그를 추가하면 때때로 박테리아의 행동을 변화시킬 수 있으며, 빛나는 박테리아가 위와 장을 통과하는 혹독한 여정을 장기간 동안 견뎌낼 수 있는지 여부도 항상 명확하지는 않다.

중국의 헤이룽장 대학교 연구팀은 흔한 프로바이오틱스 박테리아인 Lactiplantibacillus plantarum L3를 빨간색으로 빛나게 만드는 버전을 만들기 위해 착수했다. 그들은 이 박테리아가 성장에 영향을 주지 않으면서도 빨간 형광 단백질(특정 빛 아래에서 빛나는 물질)을 생성하는 유전자를 운반할 수 있는지 확인하고 싶었다. 또한, 그들은 이 빛나는 박테리아가 섭취된 후 생쥐의 장 내부에서 단기간과 장기간 동안 어디로 이동하는지 관찰하고자 했다. 목표는 장 속에서 박테리아가 움직이는 것을 관찰할 수 있는 신뢰할 수 있는 도구를 구축하는 동시에, 빛나는 태그가 박테리아의 자연스러운 능력에 변화를 주는지 주의 깊게 점검하는 것이었다.

과학자들은 특정 유전 물질 조각을 박테리아에 삽입하는 것으로 시작했다. 이 물질에는 빨간 형광 단백질을 만드는 지침과 함께, 연구자들이 원할 때만 빛을 켤 수 있는 스위치가 포함되어 있었다. 그들은 성공적으로 mCherry-L3라고 이름 붙인 새로운 버전의 박테리아를 만들어냈다. 이 새로운 균주를 테스트했을 때, 그들은 현미경 아래에서 기대했던 대로 밝고 선명한 빨간색으로 빛나는 것을 발견했다. 박테리아의 형태는 원래의 변형되지 않은 박테리아와 마찬가지로 작은 막대 모양을 유지했으며, 성장 속도 또한 동일했다. 이는 매우 중요한 발견이었는데, 빛나는 태그가 박테리아의 속도를 늦추거나 기본 구조를 변화시키지 않았음을 의미하기 때문이다. 연구진은 또한 이 박테리아가 침, 위산, 담즙, 장액 등 인간의 소화 과정을 모사한 조건들을 통과하며 인체의 소화계를 통과하는 시뮬레이션 여행에서 살아남을 수 있는지 확인했다. 빛나는 박테리아는 원래의 박테리아만큼 잘 생존하여, 태그가 그들을 더 취약하게 만들지 않았음을 보여주었다.

그러나 연구진은 박테리아의 행동에서 한 가지 변화를 감지했다. 빛나는 박테리아는 여전히 몇몇 유형의 해로운 세균들을 물리칠 수 있었지만, Staphylococcus aureus(황색포도상구균)라고 불리는 특정 세균을 막아내는 데는 현저히 덜 효과적이 되었다. 이는 박테리아가 여전히 건강하고 튼튼하긴 했지만, 빛을 내게 만드는 과정이 그들의 특정 화학적 방어 기제 중 하나를 변화시켰음을 시사했다. 이러한 작은 변화에도 불구하고, 빛나는 박테리아는 매우 안정적인 것으로 증명되었다. 연구진은 실험실에서 이들을 98세대 동안 배양했는데, 이는 박테리아를 거의 백 세대에 걸쳐 물려주는 것과 같다. 이 긴 시간이 흐른 후에도 박테리아는 여전히 빨간색으로 빛났으며, 빛을 내는 유전적 지침은 온전히 유지되었다. 이는 박테리아가 빛나는 태그를 잃어버리지 않고 오랫동안 운반할 수 있음을 확인시켜 주었다.

살아있는 몸 안에서 이 박테리아들이 어디로 가는지 보기 위해, 팀은 빛나는 박테리아를 생쥐에게 먹였다. 그들은 생쥐를 두 그룹으로 나누었다. 한 그룹은 4일 동안 박테리아를 섭취했고, 다른 그룹은 8주 동안 매일 섭식했다. 섭식을 중단한 후, 과학자들은 생쥐의 장을 조사했다. 4일 동안만 박테리아를 먹인 생쥐의 경우, 빨간 빛은 소장의 첫 부분인 십이지장에서 가장 강하게 나타났으며, 대장과 맹장에서도 약간의 빛이 관찰되었다. 이는 박테리아가 성공적으로 장에 도달했으며 다양한 영역에 존재함을 보여주었다.

8주 동안 박테리아를 먹인 생쥐의 경우, 양상은 달랐다. 빨간 빛은 한두 곳에만 머물지 않고 전체 장관 전체에 훨씬 더 넓게 분포되어 나타났다. 빛은 전체 시스템에 걸쳐 더 고르고 퍼져 있는 듯했다. 이 관찰은 반복적인 장기 섭식을 통해 박테리아가 장 전체에 걸쳐 더 많은 수로 존재함을 시사했다. 그러나 연구진은 자신들이 입증하지 못한 부분에 대해서도 주의 깊게 설명했다. 생쥐들이 검사 당시에도 여전히 박테리아를 섭취하고 있었기 때문에, 빛나는 빛은 그 순간의 박테리아 위치를 보여주는 것이지, 박테리아가 영구적으로 정착했거나 섭식을 중단했을 때도 그곳에 머물 것임을 증명하는 것은 아니었다. 이 연구는 박테리아가 추적 가능하다는 것과 섭식 기간이 길어짐에 따라 더 넓게 퍼진다는 것을 보여주었지만, 이들이 장에 영구적으로 자리를 잡았음을 확인해주지는 않았다.

이 연구는 프로바이오틱스 박테리아가 소화계를 통해 어떻게 이동하는지 관찰할 수 있는 명확하고 유용한 방법을 제공한다. 성장이나 생존 기술을 변화시키지 않으면서 빨간색으로 빛나는 박테리아를 만듦으로써, 연구진은 과학자들에게 장 환경을 시각화할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 연구는 빛나는 박테리아가 원래의 박테리아와 거의 동일하게 행동하지만, 한 가지 특정 유형의 세균을 물리치는 능력을 약간 상실한다는 것을 보여주었다. 또한 결과는 빛나는 박테리아의 위치와 분포가 얼마나 오랫동안 먹이를 주느냐에 달려 있다는 점을 강조했는데, 더 긴 섭식 기간이 더 넓은 분포로 이어졌다. 이 연구가 이 박테리아들이 장에 영구적으로 군집을 형성할 수 있는지 또는 장기적인 건강 이점을 제공할 수 있는지를 결정하지는 못했지만, 박테리아를 추적하는 신뢰할 수 있는 방법을 성공적으로 입증함으로써 박테리아가 인체와 어떻게 상호작용하는지에 대한 향후 연구의 토대를 마련했다.