세균은 '쿼럼센싱(quorum sensing)'이라는 메커니즘을 통해 군집 내 다른 세균들과 의사소통을 합니다. 이 과정에 '자가유도물질(autoinducer, AI)'이라는 화학적 신호전달 물질을 활용하는데요. 세균이 균체 밖으로 분비하는 AI는 환경에 축적되고, 일정 농도가 넘으면 유전자 발현을 조절하는 것으로 알려져 있습니다.

 

쿼럼센싱은 AI를 생산, 분비하고 감지하는 과정을 포함합니다. 한 군집 내 세균들은 특정 AI를 매개로 신호를 주고받으며, 마치 다세포 미생물이라도 되는 듯 집단적인 반응을 보입니다. 

 

세균이 증식하면 세균이 분비하는 AI의 농도 역시 증가하는데요. 일단 한 세균에서 AI가 합성되면 다른 세균들도 이에 호응하여 똑같은 AI를 합성하고 분비합니다. 세균은 AI의 농도를 감지해 개체 밀도를 확인하고, 어떤 유전자를 발현할지 함께 결정합니다. 

 

발광, 독소 유전자 발현, 바이오필름 형성, 포자 형성, 숙주 면역 체계와의 상호작용 등이 쿼럼센싱을 통해 조절됩니다. 영양물질의 부족, 다른 미생물과의 경쟁, 항생제 등 외부 스트레스에 적응할 수 있도록 생리적 변화를 수행하는 것으로도 알려져 있습니다.

 

세균이 환경에서 생존하는 데 중요한 기작 중 하나인 쿼럼센싱은 발광생물을 연구하는 과정에서 발견됐습니다. 발광생물 대부분은 특정 기관에 발광세균을 살게 함으로써 빛을 냅니다. 세균이 오징어나 문어에서는 먹통 안에, 심해아귀에서는 머리에 뿔처럼 달린 촉수 끝에 모여 살면서 대사과정에서 형광물질을 합성하는 식인데요.

 

대표적인 해양성 발광 세균으로는 Vibrio fisheri가 있습니다. 이 세균의 배양액은 개체 밀도가 낮으면 어두운 색을 띠지만, 개체 밀도가 높아지면 청록색 빛을 냅니다. 세균 수가 일정 수준 이상이 되었을 때 모든 세균이 동시에 발광을 하는데, 역시 AI 덕분에 가능한 일입니다.

 

AI는 쿼럼센싱에서 스위치 역할을 합니다. AI는 세포막을 자유로이 넘나들 수 있는 저분자 화학물질인데요. 매우 적은 양으로도 유전자 발현을 유도할 수 있습니다. 세균이 그람음성인지 혹은 양성인지에 따라 쿼럼센싱 시스템은 달라지는데요. AI의 성격에 따라 크게 네 가지 형태로 구분합니다.

 

잠깐! 그람음성과 양성 세균이란?

 

본격적인 AI 시스템 소개에 앞서 그람음성과 양성 세균에 대하여 간단히 알아볼까요? 그람염색 결과 세균이 보라색으로 염색될 경우 그람양성균, 붉은색으로 염색될 경우 그람음성균이라고 판정합니다. 

 

세균 염색법 중 하나인 그람염색은 '크리스탈 바이올렛'이라는 보라색 색소로 염색하고 알코올로 탈색한 후, 다시 '샤프라닌'이라는 붉은색 색소로 염색하는 세 단계로 구성됩니다. 

 

첫 번째 단계에서 두 종류의 세균 모두 보라색으로 염색됩니다. 하지만 그람음성균은 양성균과 달리 지질 성분이 풍부한 외막을 갖고 있기 때문에 알코올 처리 과정에서 탈색되는데요. 이후 붉은색 색소로 대조 염색했을 때, 그람양성균은 그대로 보라색으로, 음성균은 붉은색으로 보인다고 해요. 

 

이외에도 그람양성균과 그람음성균에 대해서 이야기할 것들이 많지만 다음을 기약하기로 하고, 다시 AI 시스템 이야기로 돌아가 볼까요? AI는 앞서 말했듯이 크게 AI-1, AI-2, AI-3, AIP, 이렇게 넷으로 구분됩니다.

 

AI-1 계열 

AI-1 계열은 luxR/luxI이 관여하는 시스템으로, 많은 병원성 그람 음성균에서 발견됩니다. N-acylhomoserine lactones(AHL)를 신호전달물질로 이용하는데요. 지방산 유도체인 AHL은 LuxI 계열의 AHL 합성단백질에 의해 생성됩니다. 개체 밀도가 높아져 AHL이 일정 수준 이상이 됐을 때, AHL은 LuxR 계열의 전사조절단백질에 결합합니다. 이 결합은 AHL 수용체에 구조적 변화를 유도하여 결과적으로는 타겟 유전자의 발현을 촉진합니다.

 

AHL의 상세 구조와 타겟 유전자에서는 세균 종간 차이가 확인됩니다. AHL은 acyl chain을 구성하는 탄소의 수와 산소나 산화수소의 결합 여부에 따라 인식될 수 있는 세균이 달라집니다. 한편, 다른 세균들이 같은 AHL을 이용할 경우 각 세균에서 서로 다른 유전자의 발현이 조절된다고 합니다.

 

AI-2 계열

 

AI-2 계열은 많은 그람 양성균과 그람 음성균에서 공통적으로 발견되는 시스템입니다. 세균 공통의 언어가 존재할 수도 있다는 가능성을 보여주는 시스템이기도 한데요. LuxS에 의해 S-ribosylhomocisteine이 homocysteine으로 대사되는 과정에서 만들어지는 cyclic furanone이 신호전달물질로 사용됩니다. 

 

Vibrio 종의 경우 축적된 AI-2 양이 많아지면, LuxP에 AI-2가 결합합니다. 이후 LuxQ-LuxU-LuxO의 인산화는 차단되고 LuxR의 발현은 증대돼 타겟 유전자의 발현이 촉진되는데요. 한편, 장내 세균에서는 LsrK에 의해 인산화된 AI-2가 LsrR의 작용을 차단해 타겟 유전자의 발현을 촉진하는 것으로 알려져 있습니다.

 

AI-3 계열 

 

AI-3은 병원성 대장균이 숙주세포에 부착하는 데 관여하는 유전자를 연구하는 과정에서 처음 발견됐습니다. 아직 신호전달물질의 구조와 합성에 대해서 정확히 밝혀진 바 없습니다. 한편, AI-3가 숙주 동물의 스트레스 호르몬인 epinephrine/norepinephrine과 cross talk이 가능하다는 보고가 있습니다. 

 

AIP 계열 (Autoinducer peptide system)

 

그람양성균에서 발견되는 쿼럼센싱 시스템으로, 올리고펩타이드인 AIP를 신호전달물질로 사용합니다. AgrD를 통해 생산되는 AIP는 AgrB를 통해 세균 밖으로 분비됩니다. AIP의 수용체는 AgrC로, AIP와 결합하면 전사조절단백질인 AgrA이 활성된다고 합니다.

 

한편, 포도상구균이 분비한 AIP는 독소 유전자 조절에 관여하고, Bacillus subtilis가 분비한 AIP는 포자 형성과 박테리오신 생산을 조절하는 것으로 알려져 있습니다. 

 

##참고자료##

 

Asad S, Opal SM. Bench-to-bedside review: Quorum sensing and the role of cell-to-cell communication during invasive bacterial infection. Critical Care. 2008;12(6):236. doi:10.1186/cc7101.