수십억 년 동안 하루에 수조를 죽이며 계속되는 전쟁이 있다. 이 전쟁은 지구상에서 가장 치명적인 전사들에 의해 치워지고 있는 박테리오 파지와 박테리아 사이의 전쟁이다.
생명체가 있는 곳은 어디에나 이 전쟁이 벌어지고 있으며 이 전쟁으로 인하여 생명체들이 죽지 않고 살아갈 수 있는 것이다. 우리 눈에는 보이지 않는 이 전쟁에 관하여 알아보자.
박테리오 파지란 무엇인가?
박테리오 파지(Bacterio phage)는 “박테리아 파지”(여기 서는 파지) 라 고도 하며 박테리아를 공격하고 감염시켜 박테리아를 죽이거나 제어하는 바이러스를 말한다. 박테리아를 감염 시키는 데 특화되어 있으며 그 크기와 모양은 바이러스의 특징에 따라 다르다.
일반적으로 박테리아의 크기가 0.5 μm ~5 μm 인데 파지의 크기는 약 20 nm~ 200 nm로 박테리아보다 훨씬 작다. 대부분의 파지는 가늘고 긴 모양이고, 막대 모양 또는 선 모양, 둥근 모양을 가지는 경우도 있으며, 다양한 형태의 모양을 가지고 있다. 마치 인공적으로 만든 모양이 많다.
머리는 20 면체이고 머리속에는 dna 가 들어 있고 가장 밑에 있는 꼬리 섬유(tail fiber)를 통하여 박테리아 속으로 유전 물질을 집어넣는다
파지는 바이러스라는 특징 때문에 생명체로 취급되지 않지만 그렇다고 단순한 물질도 아니며, 박테리아를 감염 시키고 제어하기 위해 복잡한 단백질과 DNA 구조를 가진다.
파지의 크기와 모양은 바이러스의 특성과 진화적 역할을 반영하며, 박테리아 감염에 특화되어 있어서, 박테리아를 공격하여 복제하고, 박테리아 감염을 통제하는 도구로 활용된다. 또한 생물학적 연구나 의학적 연구에서 중요한 역할을 한다.
박테리오 파지는 생명체인가?
박테리오 파지는 바이러스의 일종으로, 바이러스는 생명체와 비 생명체의 경계에 위치하며, 대부분의 바이러스는 세포와 비슷한 구조나 대사 활동을 갖지 않기 때문에, 자체로 대사 활동을 수행하지 않으며, 생물학적 과정을 실행하려면 숙주 세포를 이용해야 한다.
또한 바이러스는 복제를 위해 숙주 세포 내에서 바이러스의 유전 정보를 복제하고 새로운 바이러스 입자를 조립하는데 숙주 세포를 사용한다. 바이러스는 자신의 대사 활동을 조절하거나 에너지를 생산하지 않고 숙주 세포 내에서 복제 및 번식을 위해 기능한다.
이와 같은 이유로 바이러스의 일종인 박테리오 파지는 생명체로 간주되지 않는다.
박테리오 파지의 특징
파지는 박테리아를 감염 시키는 바이러스로, 특정 종류의 박테리아만 감염 시킨다. 다양한 형태와 크기를 가지며, 각각은 특정 박테리아를 공격하기 위해 진화한 구조를 갖는다. 이는 바이러스와 박테리아 간의 상호작용의 특징 중 하나 이며, 이 특이성은 유전자 전달 및 감염 통제에 활용된다.
파지는 분열법으로 증식하는 세포와는 달리 이미 만들어진 구성 요소들로부터 조립된다. 파지는 보호 코팅으로 둘러싸인 핵산 분자들이다. 그들은 에너지를 생산할 수 없고 세포 내에서 번식한다. 파지 유전체라 불리는 코팅 내 핵산은 더 많은 파지를 만드는데 필요한 대부분의 유전 정보를 암호화하고 있다.
파지 유전체는 해당 파지에 따른 두 가닥 또는 한 가닥 DNA 또는 RNA를 만들 수 있고, 유전체는 원형 또는 선형일 수 있다. 파지 유전체를 둘러싸고 있는 보호 코팅 또는 캡시드는 파지가 암호화하는 단백질들로 구성되어 있다.
파지는 그 유전 물질로써 DNA 또는 RNA를 가지는데, DNA 바이러스는 박테리아의 유전자 조작과 관련된 연구에 특히 중요하며, RNA 바이러스는 역전사 바이러스로서 작용할 수 있다.
또한 박테리아 세포 내에서 복제되고 새로운 바이러스 입자가 조립되는데, 이 과정은 최종적으로 박테리아 세포를 파열시켜 새로운 바이러스가 환경으로 방출되며, 이는 박테리아 세포의 죽음을 초래한다.
파지는 박테리아 감염을 통제하는 데 사용될 수 있고, 생태계에서 박테리아의 수를 제어하며, 이로 인해 생태계 내의 다른 생물들에게도 영향을 미칠 수 있다.
이러한 특징들로 인해 박테리오 파지는 과학 연구, 의학, 생태학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다.
박테리오 파지의 종류
파지의 종류는 다양하며, 다양한 박테리아를 특이적으로 감염 시킨다. 다음은 몇 가지 유명한 파지의 종류 이다.
T4 파지 (T4 Phage): T4 파지는 대장균(E. coli) 박테리아에 감염하는 대표적인 박테리아 파지 중 하나이다.
Lambda 파지 (Lambda Phage): Lambda 파지는 역 전사 바이러스로서, 대장균(E. coli) 박테리아에 감염하여 유전자 전달에 사용되며, 생물학 실험에서 흔히 이용된다.
T7 파지 (T7 Phage): T7 파지는 대장균(E. coli) 박테리아를 감염 시키는 또 다른 중요한 박테리아 파지로, 유전자 조작과 단백질 생산에 활용된다.
P22 파지 (P22 Phage): P22 파지는 살모넬라(Salmonella)와 관련된 박테리아를 감염 시키는 박테리아 파지로서, 감염성 원인자와 관련된 연구에 사용된다.
복합 파지 (Complex Phage): 일부 파지는 단순한 형태가 아닌 복합 형태를 가지는데, 이러한 파지는 여러 다른 바이러스와 상호 작용하거나 다양한 감염 방식을 가진다.
박테리오 파지가 증식하는 원리
박테리아 파지는 박테리아의 표면에 있는 특정 수용체에 결합하는데, 이 결합은 보통 바이러스의 트라이팻로푸로(appendage) 또는 섬유(fiber)을 이용하여 이루어진다.(1)
박테리아와 결합한 파지가 박테리아의 세포벽을 침투하여 바이러스 유전 물질을 박테리아 세포 내부로 주입하면(파지 DNA 주입) 숙주 DNA가 분해되고(2), 파지의 유전 물질이 박테리아 세포 내에서 복제되고 단백질이 합성되며(3), 새로운 파지 입자가 조립되는데(4), 이 때, 박테리아는 새로운 바이러스 입자를 만들기 위해 자원이 소모되고, 이로 인해 박테리아 세포가 손상된다.
새로운 바이러스 입자가 세포 내에서 늘어나면, 새로 생긴 파지에서는 엔돌라이신 이라는 호르몬이 분비되어 박테리아 세포를 폭발 시켜버리고 박테리아 세포는 마침내 파열하며 새로운 바이러스가 환경으로 방출된다(5).
새로운 바이러스 입자는 주변의 다른 박테리아를 감염 시키기 위해 다시 반복되는 과정을 거침으로써 박테리아 감염을 확산 시키고, 박테리아 집단을 통제한다.
이러한 원리로 파지는 박테리아를 감염 시키고 파괴하여 박테리아가 무한정 증식하는 것을 막고 감염을 통제하는 역할을 한다.
박테리아와 항생제의 관계
과거에는 작은 상처나 물 한 모금만 잘못 마셔도 죽을 수 있었다. 의학이 발달하지 않았던 시대에는 박테리아가 인간을 공격하여 수많은 생명을 빼앗아 갖고, 그것을 막을 방법은 인간에게 없었다.
그러다 약 백 여 년 전 우리는 자연에서 해답을 찾았는데 우연히 박테리아를 죽이는 물질을 만드는 곰팡이를 찾아 항생제(페니실린)를 만들었다. 갑자기 우리 손에는 초강력 무기가 들어왔고 많은 질병들이 치료 되었다.
항생제는 박테리아 세포벽을 파괴하거나 세포막에 손상을 입히는데 작용하며, 박테리아의 DNA 복제나 단백질 합성 과정을 방해하는 방식으로 작동하는데,
그러나 항생제는 점점 더 많이 사용되었고 더 무분별하게 사용되었으며, 그 와중에 박테리아가 생존하기 위해 새로운 유전자를 획득하거나 자신의 유전자를 변이 시키면서 진화를 거듭하여 항생제에 대한 방어 능력(내성)이 생김에 따라, 어떤 항생제도 효과가 없는 슈퍼 박테리아가 탄생하게 되었다.
이 수퍼 박테리아는 지금 이 순간에도 세계 곳곳으로 퍼져 나가고 있으며 점점 더 많은 인간의 생명을 앗아가고 있다.
박테리오 파지는 왜 사람을 공격하지 않는가?
파지도 바이러스의 일종인데 왜 인간을 공격하지 않는 것인 지 궁금해진다. 그 이유는 다음과 같다.
박테리오 파지는 특정 종류의 박테리아에만 특이적으로 작동하는 종 특이성을 가지므로 그들의 진화적 역할은 박테리아 감염을 통제하고 다른 박테리아로부터 경쟁자인 다른 박테리아를 공격하도록 진화한 것이며, 인간이나 동물을 공격하는 것은 그 목적이 아니기 째문이다.
또한 박테리오 파지는 박테리아에 특화된 바이러스로, 인간의 세포나 동물의 세포를 감염할 능력을 가지지 않다. 이들은 박테리아의 표면에 존재하는 특정 수용체에 결합하여 감염되는데, 인간 세포에는 그런 수용체가 없기 때문에 상호 작용하지 않는다.
그리고 파지와 박테리아 간의 상호작용은 생태계에서 공생 및 균형을 유지하는 데 중요하므로 파지가 박테리아를 지속적으로 파괴하지 않고 일부를 살리는 것이 이러한 균형을 유지하는 데 중요하다.
또한 파지는 박테리아 감염을 통제하고 다양한 박테리아 집단 사이의 경쟁을 조절하는 데 기여하며, 이러한 진화적 역할은 생태학적으로 중요하고 인간과는 직접적으로 관련이 없다.
요약하면, 박테리아 파지는 박테리아 감염을 통제하고 박테리아 간의 경쟁을 규제하는 데 특화된 바이러스이며, 인간이나 동물을 공격하지 않는 이유는 종 특이성과 진화적 역할 때문이다.
슈퍼 박테리아의 퇴치
슈퍼 박테리아는 지금의 항생제로서는 효과를 볼 수 없으므로 새로운 방법을 생각하게 되었다. 그 방법은 슈퍼 박테리아에 감염된 상처나 인체의 내에 박테리아 파지를 직접 투입하는 방법이다.
이 방법으로 가망이 없어 보이는 한 환자를 치료하기도 했다. 가장 무서운 박테리아 중 하나 인 녹농균이 이 남성의 흉광을 감염시켰는데, 녹농균은 대부분의 항생제에 내성이 있고 심지어 알코올이 들어 있는 손 소독제에도 살아남을 수 있는 강력한 슈퍼 바이러스이다.
이 환자는 몇 년간의 투병 후 수천 개의 파지와 녹농균에 듣지 않는 항생제를 흉강에 주사를 맞고 몇 주 후 감염이 완전히 사라진 연구가 있다. 박테리아에게 휴업가가 없었던 항생제가 화재와 함께 투입됨으로써 효과를 발생시킨 것이다.
그러나 이러한 방법은 아직 실험 단계로서 실용화가 되기 위해서는 많은 투자와 노력이 있어야 가능하다.
박테리오 파지가 사라진다면?
박테리아 파지가 사라진다면, 여러 가지 영향과 결과가 나타날 수 있을 것이다.
파지는 박테리아 감염을 통제하고 박테리아의 밀도를 균형있게 유지하는 역할을 하는데, 파지가 사라면, 특정 박테리아 종류가 과잉 번식할 수 있으며, 이로 인해 박테리아 감염 확산의 위험이 있을 수 있다.
파지의 감염 및 파괴 작용은 생태계의 일부로 작용하므로 파지의 부재는 박테리아 집단의 동태적 구조에 영향을 미칠 수 있으며, 이로 인해 생태학적 변화가 발생할 수 있다.
파지를 통해 유전자 전달 및 DNA 조작 기술, 항생제 개발, 박테리아 항생제 내성 연구를 하는데, 파지의 손실은 이러한 연구 및 응용 분야에 영향을 미칠 수 있다.
결론적으로 박테리오 파지의 존재는 생태계의 가장 보이지 않는 밑바닥에서 생태계의 균형을 유지하는 기초적인 역할을 하는 것이다. 만일 파지가 사라진다면 이 세상은 온통 박테리아의 세상으로 바뀌게 되며 인간은 살기 어렵게 될 것이다.
결론
박테리오 파지는 인간의 눈에 보이지 않는 매우 작고 하찮은 존재로 여겨지지만 사실은 이 생태계의 박테리아에 술을 조절하여 생명체가 살아가는 데 필수 불가결한 존재이다.
이 세상에 하찮은 존재는 없으며 그 무엇이든지 생태계에 존재한다는 것은 의미가 있다는 사실을 우리는 박테리오 파지를 통하여 되새겨 보아야 한다. 앞으로 많은 연구와 투자가 이루어져서 많은 질병을 치료하게 되고 많은 생명을 구하게 되는 멋진 결과가 나올 수 있기를 기대해 본다.