e- 생물산업 30 권 4 호 / 2017 년 7 월 한국미생물 생명공학회웹진 [ 자유기고 ] 살모넬라균의다면적생활사에대한연구 아주대학교응용화학생명공학과 윤현진교수 yoonh@ajou.ac.kr 식물성식품과살모넬라균식중독의새로운관계 식중독원인균으로널리알려진살모넬라균은오랜세월동안인류를끊임없이괴롭혀온대표적인병원성세균인다. 미국 CDC 조사에의하면연간 120만건의감염사고와 450명의사망자를내는살모넬라균은우리나라에서도매년수십건의대규모식중독을일으키는것으로보고되고있다. 최근들어살모넬라균에의한식중독사고와관련하여주목할만한점은, 채소나과일과같은식물성식품이더이상살모넬라균으로부터안전하지않다는점이다. 닭고기나계란을비롯한동물성식품이주된살모넬라균의오염원으로기존에알려져왔으나, 최근들어오염된토마토, 새싹채소및과일에의한살모넬라식중독사고가빈번하게발생하고있으며, 실제 2007년조사자료에의하면유럽에서유통되는원물채소의 0.3-2.3% 가살모넬라균에오염된것으로밝혀졌다 (1). 식물성식품은가열처리없이주로생식으로섭취한다는점에서동물성식품에비해살모넬라균에오염시더욱심각한감염사고를일으킬수있을뿐만아니라, 최근들어화학적살균제나농약을배제한유기농농산물에대한선호도가증가함에따라살모넬라균의오염에의한식품안전은더욱위협받는상황에놓이게되었다. 축산농가나병원과같은살모넬라균에의한오염가능성이높은시설에서배출된하수가제대로정화되지않은채로농업용수로사용되어토양과식물을오염시키게되고, 오염된식물은다시식품으로소비되면서살모넬라균은다양한생활사를거쳐자연계에순환을반복하게된다. 1
그림 1. 상추잎기공내분포및증식하는살모넬라균 : 살모넬라, 녹색 ; 엽록소, 적색 (9) 이즈음에서드는의문은과연살모넬라균은동물, 식물, 토양등을포함한다양한환경에서어떻게살아남는가이다. 기존살모넬라균에대한연구는다양한동물숙주내에서어떻게살아남아병을일으키는가에초점을맞추어왔다. 그러나살모넬라균에오염된식물사례가증가함에따라과연식물이살모넬라균의진정한숙주로이용될수있는지부터, 살모넬라균이식물성식품에서존재하고증식하는할수있는분자기작은무엇인지, 동물숙주에서와마찬가지로식물에서도살모넬라균과실질적인상호작용이일어나는지등에대한무수한의문들에대한답을찾고자하는노력들이최근들어이루어지고있다. 식물성식품과살모넬라균간의상호작용에대한분자수준의이해가이루어질때, 살모넬라균의병원성조절기작에대한퍼즐조각맞추기가완성될것이며, 이를바탕으로식품의안전성확보라는목표에한걸음더다가가는기회를얻게될것이다. 따라서본글에서는이러한의문들에대한해답을찾기위해지금까지이루어진성과를간략히살펴보고자한다. 살모넬라균은식물을숙주로활용하는가? 살모넬라균 (Salmonella) 은 bongori와 enterica를포함한 2개의종 (species) 으로이루어져있으며, enterica 종은다시 7개의아종 (subspecies) 로나뉠수있는데, 감염병과관련된가장대표적인 Salmonella enterica spp. enterica 의경우 1,500 개이상의혈청형 (serotype) 이있는것으로알려져있다 (2,3). 특이한점은살모넬라균혈청형간식물내증식능력이다르며, 식물또한살모넬라균에대한저항성이식물의종간다르다는점이다. 일례를들어, S. Typhimurium, S. Enteritidis, S. Senftenberg등은 S. Agona나 S. Heidelberg 등에비해상추, 바질, 시금치잎에의부착능력이뛰어나며 (4), 식물중에서도아루굴라등은살모넬라균의오염에취약하나파슬리등에서는살모넬라균의증식이억제되는경향을보인다는것이다 (5). 2
이러한관찰결과는살모넬라균이식물을단순히영양분의공급수단으로만이용하는것이아니라, 증식에유리한식물을특이적으로선택함을의미할뿐만아니라, 살모넬라균종류간에도식물에증식하는데유리한유전적또는생리적특성이다를수있음을시사한다. 동물을숙주로감염시살모넬라균의독특한병원성특성이라고한다면, 오염된식품을통해장내로이동하여장점막에서증식하는것에서나아가장상피세포내로침투하여숙주세포내에서증식하는것이라하겠다. 동물을숙주로이용할때의특성이식물내오염및감염시에도그대로나타나는가에대한질문에는아직정확한답이없다. 살모넬라균이식물잎의기공이나모용 (trichome), 또는뿌리를통해내부조직으로침투하는것에는의문이없으나, 식물세포내증식여부에대해서는식물종류별상반된결과들이보고되고있다. 토마토의뿌리로침투한살모넬라균이과실조직에서발견됨을통해식물내로감염후식물내여러기관으로이동이가능한것으로추측되나, 토마토세포내증식은확인된바가없다 (6). 그러나애기장대나담배에서는근피세포나 protoplast 내에서살모넬라균이증식함이보고된바있다 (7,8). 이를통해분명하게알수있는사실은동물감염모델과일치하지는않으나, 식물또한살모넬라균의능동적작용에의해적합한숙주로선택되고증식할수있는환경으로이용된다는것이다. 실제식물잎에존재하는살모넬라균이광합성으로합성된대사물질들이유출되는기공의위치를감지하여식물내부조직으로침투하여이동하는사실 (9) 만보더라도살모넬라균이능동적으로식물을숙주로이용함을알수있다. 식물내살모넬라균감염에필요한병원성인자들은무엇인가? 살모넬라균의식물내생활사는크게식물표면에의부착 조직내로의침투 조직내증식으로이어지는 3단계로구분지을수있다. 각단계별로필요한병원성인자들이다양하게존재하는데, 이들중식물표면의부착과관련된병원성인자가가장많이연구되고있다. 살모넬라균은세포벽에노출된다양한구조물을통해생물학적또는무생물학적표면에부착하는것으로알려져있다. 10여종에이르는다양한 fimbriae 구조를부착기관의대표적인예로볼수있는데, 다양한 fimbriae 구조중 cgs( 또는 agf) 에의해합성되는 culri fimbriae가식물과접촉시생물막 (biofilm) 형성을촉진하여세균의식물표면부착에중요한역할을하는것으로알려져있다 (10,11). 생물막은세균의다양한세포외구조물들에의 3
해형성된세균군집락으로 culri fimbriae뿐만아니라, cellulose및 lipopolysaccharide(lps) 를기반으로망상구조를이루어세균의표면부착을돕고외부환경으로부터세균을보호해주는기능을한다 (12). Fimbriae 외에도 adhesin이라불리는표면부착기능을하는여러종류의단백질들이숙주조직또는세포표면의수용체 (receptor) 와상호작용하여살모넬라균의표면부착을돕는것으로알려져있으나, 식물세포표면에이들을인식하는수용체가있는지여부에대해서는구체적으로알려진바가없다 (13). 이밖에도세균의운동성과관련된 flagella가살모넬라균의식물표면부착에중요한역할을하는것으로알려져있는데, 햇빛존재하에 chemotaxis를통해기공으로침투하는살모넬라균에서운동성이결여된경우, 식물내침투가크게감소하는경우가보고된바있다 (9). 살모넬라균이가진대표적인병원성인자로 SPI(Salmonella pathogenicity island) 를들수있는데, 동물숙주의세포내로침투시 SPI에서합성한분비시스템인 T3SS(type 3 secretion system) 을이용하여다양한병원성인자를숙주세포질내로분비하여세포내정상기능을교란시켜살모넬라균의침투와세포내증식을증진시키는것으로알려져있다 (14). 식물세포에서도이와마찬가지로 SPI에의한세포내침투및증식이가능한지분명치는않으나, SPI가결여된살모넬라균의경우식물내방어시스템활성이크게증가하여, 살모넬라균의증식이억제되는현상들이관찰된바있다 (15). 이를통해살모넬라균의 SPI 유전자들은동물숙주에서와는차이가있으나, 식물의 hypersensitive response(hr) 를억제함으로써식물내살모넬라균의증식에중요한병원성인자로작용함을유추해볼수있다. 일반적인식물병원균과달리, 살모넬라균이식물내에서심각한질병을일으키지는않는것으로생각된다. 다만생장속도가늦춰지고시드는현상이종종관찰되는데 (6), 이때문에살모넬라균에오염또는감염된식물을구별해내기란쉽지가않다. 일반적인식물병원균과달리살모넬라균은식물세포벽을직접적으로분해할수있는능력이없으므로, 식물표면에단순히부착해서만은지속적인증식을이루기어렵다. 이때문에살모넬라균은다양한영양분확보가비교적손쉬운열린기공구조나, trichrome 또는손상된식물조직부근에서주로증식을하고, 식물내부기관을통해이동하는것으로알려져있다. 이밖에도살모넬라균의식물내증식은식물내공존하는다양한식물병원균의활동과밀접한관련이있다. 최근들어동물숙주내공생하는다양한미생물들간의상호작용이병원균의증식및병원성조절에중요한역할을함이알려지고있는데, 이러한균들간상호작용은식물에서도마 4
찬가지로찾아볼수있다. 식물내감염을일으키는다양한식물병원균은감염과정중에식물세포의괴사를초래하여, 공존하는살모넬라균에다양한영양분을공급하는활로를제공하게된다 (16). 이뿐만아니라식물에존재하는다양한진균류또는선충류및곤충류또한살모넬라균의식물내증식에긍정적인영향을주는것으로알려져있다 (17). 살모넬라균은식물과도상호작용이가능한가? 동물을숙주모델로한다양한기존연구에서살모넬라균은능동적으로그리고적극적으로숙주세포의다양한단백질기능을교란시키며숙주와상호작용하는것으로알려져왔다. 동물과식물의세포내활성조절체계가완벽히일치하지는않으므로, 살모넬라균과접촉한식물에서동물세포의방어시스템작동및조절기작을기대할수는없으나, 식물세포와접촉시에도살모넬라균의세포외막구조물인 LPS 및 flagella가 PAMP(pathogenassociated molecular pattern) 으로작용할것이라는추측이이루어지고있다 (13). Arabidopsis 의경우살모넬라균과의접촉시 mitogen-activated protein kinase(mapk) 를비롯하여 PDF1.2과같은 defense gene 및 PR2, PR4 등의다양한 pathogenesis-related gene들의발현이증가함이알려졌다 (8). 이와같은식물내유전자발현양상의변화는 ROS(reactive oxygen species), 항미생물제, ethylene, salicylic acid, jasmonic acid 등의신호전달물질의생성을유도하여살모넬라균에감염된식물내 HR을일으킬것으로유추된다. 향후연구방향 어떠한생명체도주어진환경하에서독립적으로단독으로존재하는경우는드물다. 동물감염후물이나토양과같은환경으로돌아온살모넬라균은다시식물을거쳐동물로감염되는순환과정을반복하게된다. 이러한생활사동안살모넬라균은필연적으로주어진환경하에서다양한생명체와상호작용하게된다. 살모넬라균의상호작용에대한연구가기존에는주로동물과의관계를중심으로이루어졌다면, 앞으로는영양공급원으로서혹은증식저장소로작용할수있는식물과의상호작용또한중요하게다루어질필요가있다. 뿐만아니라동물및식물에서함께공존하는다른다양한미생물들과의상호작용에대한연구가추가로이루어질때, 살모넬라균의실제생활사를정확하게이해할수있을것이다. 이를바 5
탕으로각생활단계별중요한병원성조절인자발굴이가능하며나아가이들병원성인자 의활성제어방안에대한연구를통해살모넬라균에의한감염성질병을예방할수있는기 술도함께마련할수있을것으로기대된다. 참고문헌 1. Westrell T, Ciampa N, Boelaert F, Helwigh B, Korsgaard H, Chríel M, Ammon A, Mäkelä P. Zoonotic infections in Europe in 2007: a summary of the EFSA-ECDC annual report. Euro Surveill. 2009;14(3):1-3. 2. Lan R, Reeves PR, Octavia S. Population structure, origins and evolution of major Salmonella enterica clones. Infect. Genet. Evol. 2009;9(5):996-1005. 3. Ohl ME, Miller SI. Salmonella: a model for bacterial pathogenesis. Annu. Rev. Med. 2001;52:259-74. 4. Berger CN, Brown DJ, Shaw RK, Minuzzi F, Feys B, Frankel G. Salmonella enterica strains belonging to O serogroup 1,3,19 induce chlorosis and wilting of Arabidopsis thaliana leaves. Environ. Microbiol. 2011;13(5):1299-308. 5. Golberg D, Kroupitski Y, Belausov E, Pinto R, Sela S. Salmonella Typhimurium internalization is variable in leafy vegetables and fresh herbs. Int. J. Food Microbiol. 2011;145(1):250-7. 6. Gu G, Hu J, Cevallos-Cevallos JM, Richardson SM, Bartz JA, van Bruggen AH. Internal colonization of Salmonella enterica serovar Typhimurium in tomato plants. PLoS One. 2011;6(11):e27340. 7. Samelis J, Ikeda JS, Sofos JN. Evaluation of the ph-dependent, stationary-phase acid tolerance in Listeria monocytogenes and Salmonella Typhimurium DT104 induced by culturing in media with 1% glucose: a comparative study with Escherichia coli O157:H7. J. Appl. Microbiol. 2003;95(3):563-75. 8. Schikora A, Carreri A, Charpentier E, Hirt H. The dark side of the salad: Salmonella typhimurium overcomes the innate immune response of Arabidopsis thaliana and shows an endopathogenic lifestyle. PLoS One. 2008;3(5):e2279. 9. Kroupitski Y, Golberg D, Belausov E, Pinto R, Swartzberg D, Granot D, Sela S. Internalization of Salmonella enterica in leaves is induced by light and involves chemotaxis and penetration through open stomata. Appl Environ Microbiol. 2009;75(19):6076-86. 10. Barak JD, Gorski L, Naraghi-Arani P, Charkowski AO. Salmonella enterica virulence genes are required for bacterial attachment to plant tissue. Appl. Environ. Microbiol. 2005;71:5685 5691. 11. Barak JD, Jahn CE, Gibson DL, Charkowski AO. The role of cellulose and O-antigen capsule in the colonization of plants by Salmonella enterica. Mol. Plant Microbe Interact. 2007;20:1083 1091. 6
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