원핵생물과 사람 — 질병, 항생제 내성, 그리고 없으면 안 되는 역할

챕터를 닫는 글입니다. 그런데 시작은 숫자 감각을 하나 교정하는 것으로 하겠습니다.

사람 몸에는 사람 세포와 비슷한 규모의 세균 세포가 함께 살고 있습니다. 그중 병을 일으키는 종은 극소수입니다. 대다수는 아무 해가 없거나, 적극적으로 우리에게 이롭습니다.

그러니 이 글은 두 방향으로 갑니다. 먼저 소수의 병원성 세균이 어떻게 병을 일으키는지, 그리고 그 대응책인 항생제가 왜 점점 안 먹히게 되는지. 그다음 다수의 세균이 없으면 생물권과 우리 몸이 어떻게 되는지. 순서가 이렇게 된 이유도 있습니다. 앞쪽을 알고 뒤쪽을 읽으면 "세균은 나쁜 것"이라는 틀이 확실히 깨집니다.

병원성은 어떻게 작동하는가

세균이 병을 일으키려면 할 일이 몇 단계 있습니다. 하나씩 넘어야 하는 관문이에요.

1. 들어온다 — 호흡기, 소화관, 상처 등을 통해.
2. 붙는다 — 선모로 점막에 고정됩니다. 못 붙으면 쓸려 나갑니다.
3. 면역을 피한다 — 협막이 식세포작용을 방해합니다. 세포 안으로 숨는 전략을 쓰는 종도 있습니다.
4. 증식한다 — 숙주의 영양분을 쓰면서 수를 늘립니다.
5. 손상을 입힌다 — 대부분 독소를 통해서입니다.

1~4단계에 등장하는 구조물이 전부 첫 글에서 본 것들입니다. 선모와 협막을 "부착"과 "면역 회피"로 외워 두라고 한 이유가 여기 있어요. 그 구조가 곧 병원성의 장비 목록입니다.

그리고 숙주 쪽 반응도 함께 봐야 합니다. 세균이 침입하면 선천면역이 먼저 작동해 염증을 일으키고 식세포를 동원합니다. 그런데 증상의 일부는 세균이 직접 만든 게 아니라 우리 면역 반응의 결과예요. 발열, 부기, 통증이 그렇습니다. 감염병의 증상을 "세균이 한 일"로만 설명하면 절반을 놓칩니다.

외독소와 내독소 — 이 표가 핵심입니다

병원성 세균이 손상을 입히는 주된 수단이 독소이고, 독소는 성격이 완전히 다른 두 종류로 갈립니다. 이 단원 출제 1순위입니다.

구분	외독소	내독소
화학적 정체	단백질	그람음성 외막의 지질다당류(LPS) 성분
어디서 나오나	살아 있는 세균이 분비한다	세균이 죽어 분해될 때 방출된다
어느 세균이	그람양성·그람음성 모두	그람음성만
세균 없이 증상이?	가능하다 — 독소만으로 중독이 일어난다	세균의 존재·사멸과 묶여 있다
열에	대개 약하다	안정하다 — 가열로 제거하기 어렵다
작용	종류마다 표적이 뚜렷하다 (특정 세포·기능을 공격)	발열, 혈압 저하 등 비교적 비특이적
백신	독성을 없앤 톡소이드로 만들 수 있다	그런 방식이 어렵다

표를 외우기보다 왜 그렇게 되는지를 잡으면 훨씬 오래 갑니다.

외독소는 단백질입니다. 단백질이니 열에 변성되고(열에 약함), 아미노산 서열이 정해져 있으니 표적이 정밀하고(특이적 작용), 항체가 알아볼 수 있는 모양이 있습니다(백신 가능). 그리고 세균이 밖으로 내보내는 물질이니 세균이 사라진 뒤에도 독소가 남아 있으면 증상이 납니다. 음식에 세균이 독소를 뿌려 놓고 가열로 세균은 죽었는데도 중독이 일어나는 식중독이 이 경우예요.

내독소는 세포벽 바깥 막의 구성 성분입니다. 분비되는 게 아니라 원래 세균 몸의 일부예요. 그래서 세균이 죽어 부서질 때 풀려나옵니다. 여기서 치료의 역설이 하나 생깁니다. 항생제로 그람음성 세균을 한꺼번에 죽이면 내독소가 대량으로 풀려 증상이 일시적으로 심해질 수 있습니다. 그리고 지질과 당으로 된 구조라 단백질처럼 열에 쉽게 망가지지 않습니다.

앞의 글과 연결해 보세요. 내독소가 그람음성에만 있는 이유는 명확합니다. 그람음성만 외막을 가지고 있으니까요. 세포벽 구조 한 가지가 염색 결과를 가르고, 항생제 침투를 가르고, 독소의 종류까지 갈랐습니다. 이 챕터가 세포벽에서 시작한 이유가 여기서 완성됩니다.

쌤 한마디 — 외독소·내독소는 이름이 혼동을 부릅니다. "외"가 바깥이고 "내"가 안쪽인데, 기준이 세균 몸입니다. 세균 밖으로 내보내는 것이 외독소, 세균 몸 안에(막에) 들어 있는 것이 내독소. 숙주의 몸 안팎과는 아무 상관 없습니다. 헷갈리면 "내독소는 세포벽 부품" 한 문장만 붙잡으세요. 그 한 문장에서 그람음성 한정, 열 안정, 비특이적 증상이 모두 따라 나옵니다.

항생제는 왜 세균에만 듣는가

항생제가 효과가 있으려면 조건이 하나 필요합니다. 세균에는 있고 사람에게는 없는 표적을 때려야 한다는 것. 이게 선택독성입니다. 세균만 죽이고 사람 세포는 건드리지 않아야 약이 되죠.

그래서 항생제의 표적은 대부분 앞 글들에서 본 그 구조물들입니다.

표적	작용	사람에게 없는 이유
세포벽 합성	펩티도글리칸의 가교 형성을 막아, 자라는 세균이 삼투압에 터지게 한다	사람 세포에는 세포벽이 아예 없다
리보솜	세균 리보솜에 결합해 단백질 합성을 멈춘다	사람의 리보솜은 구성이 달라 결합하지 않는다
DNA 복제 효소	세균 특유의 효소를 저해해 복제를 막는다	해당 효소가 사람에게는 없거나 구조가 다르다
엽산 합성 경로	세균이 스스로 만들어야 하는 대사 경로를 막는다	사람은 그 물질을 먹어서 얻는다

이 표가 중요한 이유가 하나 더 있습니다. 바이러스에는 이 표적이 하나도 없습니다. 바이러스는 세포벽도 리보솜도 자기 대사도 없어요. 숙주 세포의 기구를 빌려 쓰니까요. 그래서 감기나 독감에 항생제를 먹는 것은 아무 효과가 없습니다. 바이러스가 왜 그런 존재인지는 바이러스란 무엇인가에서 다룹니다.

역사 한 토막. 1928년 플레밍이 배양 접시에 생긴 푸른곰팡이 주변에서 세균이 자라지 못한 것을 발견한 게 페니실린의 출발이었습니다. 그런데 이 발견에서 곧바로 약이 나온 게 아니라, 실제 치료제로 쓰이기까지는 물질을 분리·정제하는 다른 연구자들의 작업이 더 필요했습니다. 발견과 실용화가 별개의 일이었던 사례입니다.

항생제 내성은 선택의 결과입니다

이제 이 챕터 전체가 수렴하는 지점입니다. 천천히 읽으세요.

많은 학생이 내성을 이렇게 이해합니다. "세균이 항생제에 계속 노출되면 거기 적응해서 내성을 갖게 된다." 일상에서 흔히 쓰이는 표현이기도 하죠. 그런데 이 문장은 메커니즘을 거꾸로 설명합니다.

정확한 순서는 이렇습니다.

1. 항생제가 오기 전부터 집단 안에는 유전적 변이가 있습니다. 그중 일부 세포가 우연히 그 약에 덜 취약한 형질을 가지고 있습니다. 그 변이는 앞 글에서 본 돌연변이나, 수평적 유전자 이동으로 들어온 R 플라스미드에서 왔습니다.
2. 항생제를 쓰면 취약한 세포가 제거됩니다.
3. 살아남은 소수가 번식해 집단을 다시 채웁니다. 이제 그 집단은 내성 개체의 비율이 높습니다.
4. 이 과정이 반복되면 집단 전체가 내성을 갖게 됩니다.

차이를 느끼셨나요. 항생제는 내성을 만들지 않습니다. 이미 있는 내성을 고를 뿐입니다. 변이를 공급하는 것과 방향을 정하는 것은 별개의 과정이라는 원칙, 자연선택과 유전적 부동에서 세운 그 원칙이 여기 그대로 적용됩니다.

용어로 정리하면 이건 방향성 선택입니다. 환경(항생제가 있는 환경)이 한쪽 끝의 형질을 선호해서 집단의 형질 분포가 그 방향으로 이동하는 것. 교과서의 선택 모형이 병원에서 몇 달 단위로 실제로 일어나고 있는 셈입니다.

그리고 왜 이렇게 빠른지도 이제 설명할 수 있습니다. 두 가지가 겹치기 때문이에요.

• 세대가 짧고 개체 수가 많다 — 선택이 작용할 기회가 어마어마하게 많습니다.
• 수평적 유전자 이동이 있다 — 내성 유전자가 자손으로만 내려가는 게 아니라 옆으로, 심지어 다른 종으로 건너갑니다. 한 종이 얻은 내성이 다른 종의 문제가 되는 거죠.

두 번째가 사람 쪽에서 특히 골치 아픈 부분입니다. 유성생식을 하는 생물에서는 종의 경계가 유전자의 경계이기도 한데, 원핵생물에서는 그렇지 않으니까요.

여기에 앞 글의 생물막까지 얹히면 상황이 더 나빠집니다. 생물막 상태의 세균은 약의 침투가 어렵고 안쪽 세포들은 대사가 느려 표적이 잘 안 됩니다. 유전적 내성이 아니라 구조와 생리 때문에 잘 안 듣는 경우도 있다는 뜻이에요. 이 둘은 다른 현상이니 섞어 쓰지 마세요.

그러면 무엇을 해야 하는가

여기서는 과장 없이, 사실 범위 안에서만 쓰겠습니다. 위 메커니즘에서 논리적으로 따라 나오는 것만요.

• 세균 감염이 아닌 질환에 항생제를 쓰면 이득이 없습니다. 바이러스에는 표적이 없으니까요. 그러면서 몸에 있던 다른 세균 집단에는 선택압이 걸립니다. 얻는 것 없이 선택만 가하는 셈입니다.
• 처방된 기간을 끝까지 지키라는 권고는 중간에 끊으면 남은 집단이 상대적으로 덜 취약한 쪽으로 치우칠 수 있다는 우려에서 나옵니다. 구체적인 기간은 질환과 약에 따라 다르니 의료진의 판단을 따라야 합니다.
• 축산에서의 사용량도 전체 선택압의 한 부분으로 다뤄집니다.
• 그리고 애초에 감염을 줄이는 쪽 — 손 씻기, 백신처럼 항생제를 쓸 일 자체를 줄이는 방법이 선택압을 낮추는 가장 확실한 길입니다.

한 가지만 분명히 해 둘게요. 내성이 생기는 주체는 세균 집단이지 사람의 몸이 아닙니다. "항생제를 자주 먹으면 내 몸에 내성이 생긴다"는 표현을 흔히 쓰는데, 정확히는 내 몸에 있는 세균 집단의 구성이 바뀌는 것입니다. 이 구분은 서술형에서 그대로 점수가 됩니다.

항생제가 내성을 만드는 게 아니다 — 원래 있던 것을 고를 뿐이다 — 송쌤생명과학 자체 제작

이제 반대쪽 — 없으면 안 되는 역할

지금까지가 소수에 관한 이야기였습니다. 이제 다수를 봅시다.

① 분해자입니다. 죽은 생물과 배설물에 묶여 있는 탄소·질소·인을 분해해 무기물로 되돌려 놓습니다. 이 과정이 멈추면 물질 순환이 한쪽에서 끊깁니다. 영양분이 사체 안에 갇힌 채로 끝나고, 생산자가 쓸 재료가 공급되지 않아요. 생태계의 순환이 '순환'인 것은 분해자가 있기 때문입니다.

② 질소 공급입니다. 앞 글에서 길게 다뤘죠. 대기의 질소 기체를 생물이 쓸 수 있는 형태로 바꾸는 질소고정은 일부 원핵생물만 할 수 있습니다. 식물의 단백질, 그 식물을 먹은 동물의 단백질, 지금 이 글을 읽는 여러분의 단백질에 들어 있는 질소 원자는 대부분 어느 시점에 세균의 니트로게네이스를 통과한 것입니다. 이 문장을 한번 천천히 읽어 보세요. 생각보다 무게가 있습니다.

③ 장내세균과의 공생입니다. 사람의 소화관에는 수많은 종의 세균이 살고, 하는 일이 여러 가지입니다.

• 우리가 소화하지 못하는 일부 탄수화물을 발효해 분해합니다. 그 산물의 일부는 우리가 흡수해 쓰기도 합니다.
• 일부 비타민을 합성합니다. 비타민 K와 일부 B군 비타민이 여기 포함됩니다.
• 자리를 차지해 병원체를 막습니다. 공간과 영양분을 이미 점유하고 있으면 외부에서 들어온 병원성 세균이 자리 잡기 어려워요. 항생제로 정상 세균 집단이 흔들렸을 때 평소에 문제되지 않던 세균이 과하게 늘어나는 일이 생기는 게 이 역할의 반증입니다.
• 면역계의 발달에 관여한다는 것이 여러 연구에서 보고되고 있습니다. 다만 구체적인 기전과 질병과의 관계는 활발히 연구되는 중이니, 단정적으로 쓰지 말고 "관여한다고 보고된다" 정도로 쓰는 게 정확합니다.

초식동물 쪽은 더 극적입니다. 소나 흰개미는 셀룰로스를 분해하는 효소가 없습니다. 소화관 안의 미생물이 대신 분해해 줍니다. 반추동물의 위에서는 세균이 셀룰로스를 발효하고, 그 마지막 단계에서 메탄생성균이 메탄을 내놓습니다. 세균도 고세균도 한 소화관 안에 있는 셈이에요. 풀을 먹고 사는 동물의 소화는 사실상 미생물에게 외주를 준 것입니다.

④ 사람이 쓰는 도구로서의 역할입니다. DNA 기술 편에서 본 도구 상당수가 원핵생물에서 왔습니다. DNA를 특정 서열에서 자르는 제한효소는 세균이 외부 DNA를 방어하는 장치에서 나왔고, 고온에서 작동하는 DNA 중합효소는 온천에 사는 세균에서 얻었습니다. 플라스미드는 유전자를 옮기는 운반체가 됐고, 사람의 인슐린 같은 단백질을 세균에 만들게 하는 생산 방식도 여기서 나왔어요.

그리고 오염 정화가 있습니다. 기름 유출 현장이나 오염된 토양에서 유기 오염물질을 분해하는 세균을 활용하는 생물학적 정화, 하수처리장에서 유기물을 처리하는 미생물 공정이 전부 원핵생물의 대사 능력에 기대고 있습니다.

여기서 제일 많이 틀립니다

• "항생제에 노출되면 세균이 내성을 획득한다"로 쓴다 — 오늘의 1번입니다. 내성 변이는 항생제와 무관하게 미리 존재하고, 항생제는 그중 무엇이 남을지를 고릅니다. 만들어 주는 게 아닙니다.
• "내 몸에 내성이 생긴다"로 쓴다 — 내성이 생기는 주체는 세균 집단입니다. 사람의 세포가 항생제에 내성을 갖는 게 아닙니다.
• 외독소·내독소의 기준을 숙주 몸 안팎으로 생각한다 — 기준은 세균입니다. 분비하는 단백질이 외독소, 그람음성 외막의 구성 성분이 내독소입니다.
• 내독소가 그람양성에도 있다고 쓴다 — 외막이 있는 그람음성에만 있습니다. 외독소는 양쪽 다 가능합니다.
• 항생제가 바이러스에도 들을 거라고 생각한다 — 세포벽·리보솜·세균 대사 효소를 때리는 약입니다. 바이러스는 그 표적을 하나도 갖고 있지 않습니다.
• 세균을 다 없애는 게 좋다고 생각한다 — 분해자·질소고정·장내 공생을 생각하면 말이 안 됩니다. 병원성 종은 소수입니다.
• 질소고정을 식물이 한다고 쓴다 — 세균입니다. 이 챕터에서 두 번째로 반복하는 경고입니다.
• 생물막 때문에 약이 안 듣는 것과 유전적 내성을 같은 것으로 쓴다 — 전자는 침투와 대사 상태의 문제, 후자는 유전자의 문제입니다. 다른 현상입니다.

쌤 한마디 — 세특 소재로 이 글은 아주 쓸 만합니다. 다만 "항생제 오남용은 위험하다"로 끝나는 글은 흔해서 인상에 남지 않아요. 진화 단원과 묶으세요. 즉 "항생제 내성은 방향성 선택의 실시간 사례이며, 변이의 공급원이 돌연변이와 수평적 유전자 이동이라는 점이 그 속도를 설명한다"는 구조로 쓰는 겁니다. 그러면 Ch.23에서 배운 개념이 Ch.27의 현실 문제를 설명하는 데 쓰이는 글이 됩니다. 단원을 가로질러 연결한 글은 읽는 사람이 바로 알아봅니다. 그리고 수치를 인용할 때는 반드시 출처와 연도를 함께 적으세요. 이 분야는 숫자가 매년 갱신됩니다.

정리하면 — 그리고 챕터 전체를 되감으면

병원성 세균은 선모로 붙고 협막으로 면역을 피하고 증식한 뒤 독소로 손상을 입힙니다. 독소는 둘로 갈립니다. 외독소는 분비되는 단백질로 열에 약하고 표적이 뚜렷하며 톡소이드 백신이 가능하고, 세균이 없어도 증상을 낼 수 있습니다. 내독소는 그람음성 외막의 지질다당류 성분으로, 세균이 죽을 때 풀려나오고 열에 안정하며 증상이 비교적 비특이적입니다.

항생제는 선택독성으로 작동합니다. 세포벽 합성, 리보솜, 세균 특유의 효소처럼 사람에게 없는 표적을 때리죠. 그래서 그 표적이 없는 바이러스에는 듣지 않습니다.

내성은 항생제가 만든 것이 아니라 고른 것입니다. 돌연변이와 수평적 유전자 이동이 변이를 공급하고, 항생제가 방향성 선택으로 작용합니다. 세대가 짧고 R 플라스미드가 종을 넘나들기 때문에 그 선택의 결과가 빠르게 나타납니다.

그리고 대다수의 원핵생물은 분해자로 물질 순환을 닫고, 질소고정으로 생물권에 질소를 들여오고, 우리 소화관에서 소화를 돕고 병원체를 막고, 생명공학과 환경 정화의 도구가 됩니다.

이것으로 Ch.27이 끝났습니다. 다섯 편이 하나의 줄기였어요. 세포벽이 두 무리를 가르고 그람염색과 항생제 감수성으로 이어졌고, 돌연변이와 수평적 유전자 이동이 변이를 공급하는 두 축이었고, 영양 방식 네 갈래가 그 유전자로 무엇을 하는지를 보여 줬고, 고세균이 분류 체계를 바꿔 놓았습니다. 그리고 오늘, 그 모든 것이 사람의 몸과 생물권에서 무엇을 하는지 확인했습니다.

그런데 이 챕터에서 계속 조연으로 등장한 존재가 하나 있습니다. 형질도입에서 유전자를 실어 나르고, 항생제가 전혀 통하지 않는 그것 말입니다. 다음 챕터는 그 조연이 주인공입니다. 바이러스는 생물인가에서 시작해 파지의 두 가지 생활사를 거쳐 새로 출현하는 바이러스까지 갑니다. 세포도 아니고 대사도 없는 것이 어떻게 진화할 수 있는지가 그 챕터의 가장 재미있는 질문입니다.