박테리오파지는 박테리아만을 감염시키는 바이러스의 일종으로 지구상 모든 환경에 존재하며 지구상에서 가장 많은 개체수를 갖고 있다고 알려져 있다. 수환경에서는 최근 박테리오파지로부터 감염된 박테리아가 터지면서 나오는 물질로 물질구성 및 탐소순환에 중요한 영향을 준고 보고되었다. 또한, 담수환경내에서 박테리아 군집과 구성을 조절하고, 유전적 다양성 및 진화적 측면에도 중요한 역할을 한다고 알려져 있다.
국제바이러스분류위원회(International Commite on Taxonomy of Viruses, ICTV)는 ICTV bacterial viruses subcommittee 을 통해 Abolishment of morphology-based taxa and change to binomial species names 움직임을 보이고 있다. 박테리오파지가 발견된 박테리아는 150 여개 속(genus)에 불과하며, 이는 일부 병원성 세균에 연구가 집중되어 다양한 박테리오파지의 연구는 국제적으로 미비한 상황이다. 하지만 최근 박테리오파지는 부작용없는 자연친화적인 항생 물질로 개발되고 있다.
본 연구에서는 다양한 담수환경에서부터 신규 박테리아 및 환경적 문제를 초래하는 호스트 박테리아를 순수분리하고 이들의 계통 연구를 진행하였다. 또한, 이 호스트 박테리아에 감염하는 박테리오파지의 계통 및 유전학적 특성 연구를 수행하였다.
신규 박테리오파지 연구를 위하여 낙동강의 담수시료로부터 Macromonas 속의 신종 세균인 BK-30T 균주를 순수 분리하였다. BK-30T 균주의 16S rRNA 유전자 서열 분석에 따르면 가장 유사한 근접 속은 Macromonas 였으며 특히 Macromonas bipunctata DSM 12705T 와의 16S rRNA 유전자 서열에서 98.4%의 유사성을 보였다. BK-30T 균주와 M. bipunctata DSM 12705T 간의 average nucleotide identity (ANI) 값은 79.8%이며, genome-to-genome distance 는 평균 21.3%로 나타나 새로운 genomic 종을 나타냈다. 이 밖의 다양한 다상분류 연구를 기반으로 우리는 Macromonas 속에서 새로운 종으로 Macromonas nakdongensis sp. nov.로 제안하였다. BK-30T 균주는 이 종의 타입 균주로 지정되었다. 또한, BK-30T 균주에 감염하는 용해성 파지인 BK-30P 의 분리 및 완전한 게놈 서열을 보고하였다. 이 세균 바이러스는 Macromonas 속을 감염하는 최초의 보고된 바이러스로, "Macromonasphage"라는 이름을 제안하였다.
앞선 연구를 통하여 박테리오파지의 계통학적, 유전학적 특성연구의 가능성을 타진하면서, 점진적으로 환경적 문제를 초래하는 다양한 담수세균에 감염하는 박테리오 파지 연구를 진행하였다.
항생제 오남용으로 항생제내성균이 증가되어 피해를 우려하고 있지만 신규 항생제 개발에는 막대한 비용과 시간이 필요하다. 그에 반해 박테리오파지를 활용한 항생제내성균 제어연구는 짧은 시간에 상대적으로 적은 비용으로 타겟하는 박테리아만을 제어할수 있는 장점을 갖고 있다. 담수하천은 잔류 항생제 농도 증가와 농축산폐기물 및 오폐수의 유입으로 항생제 내성균이 증가하는 환경에 놓여있어, 이로 인해 생태계 및 인류수자원에 유해한 영향을 미치고 있다. 16 종의 항생제를 사용해 8 종이상의 항생제에 감수성을 갖는 다제내성균 22 종을 확보하였다. 이 중 식물병을 일으키는 병원성 세균 Erwinia sp.를 확보하였다. 해당균주의 전장유전체 분석을 통해 유전학적 정보를 확보하였고, 유전자 차원의 분석을 통래 병원성유전자와 같은 특이유전자 탐색을 완료하였다. 또한 다제내성균으로 판정되어 항생제로 제어하기 어려운 균주에 감염하여 사멸시키는 박테리오파지 2 종을 확보하였다. 2 종의 박테리오파지는 각각 다른 종으로 분석되었으며, 투과전자현미경을 이용한 형태학적 분석결과 각각 다른종으로 분류되었다. 발굴된 박테리오파지 2 종에 대해 전장유전체 분석을 완료하였다. 각각의 박테리오파지의 전체 유전자정보를 바탕으로 계통학적 분석을 완료하였다. 항생제내성균과 그에 감염하는 박테리오파지의 전장유전체 분석을 통해 상호작용분석을 통한 제어 방안을 마련할 예정이다.
기수 및 해수 수계에서 발생하는 위해성 적조는 어패류의 폐사를 일으키는 등 수산업에 막대한 손실을 초래하고 있으며, 최근 적조발생 건수가 증가하고 발생해역의 광역화되어 피해가 증가하고 있다. 유해미세조류의 발생을 원천적으로 제어하는 방법은 이들의 성장에 필요한 인과 질소와 같은 영양염류를 수계에서 제어하는 것이다. 하지만 실제 수계에서 영양염류의 농도를 제한하거나 제거하는 것은 실현 가능성이 낮으며 특히 경제적이지 않은 방법이다. 해양에서의 적조의 원인생물은 90 년도 이후부터 Alexandrium, Cochlodinium 등 와편모조류로 변화하고 있으며 이는 기후온난화 등에 따른 해수수계 환경변화와 관련이 있다. 이들 원인생물종과 생태계에서 경쟁하여 유해미세조류의 성장과 소멸에 영향을 주는 다른 미생물에 대한 연구가 많이 수행되고 있다. 특히 최근에는 기수, 해수 수계의 적조를 유발하는 원인생물에 특이적으로 감염이 되는 바이러스가 적조의 발생 및 소멸에 밀접하게 관련되어 있다는 보고가 증가하고 있다. 또한 이들의 유전체 연구를 통해 유해미세조류의 번성과 소멸에 관련된 기초적인 단서를 제공하는 연구가 진행되고 있다. 본 연구의 목적은 유해미세조류의 성장과 소멸에 영향을 주는 미생물 및 바이러스를 탐색하고, 유전체 분석으로 유해미세조류의 살조기작에 대한 기초자료를 제공하는 것이다. 해양에서 적조를 발생시키는 유해 미세조류인 Alexandrium tamarense 와 공생관계로 알려진 Roseobacter clade 에 속하는 세균을 확보하였다. 확보된 세균을 숙주로 선정하여 박테리오파지를 순수분리 하였다. 공생미생물 및 박테리오파지의 유해미세조류에 대한 영향을 알아보기 위한 분석를 수행하였다. Alexandrium tamarense 와 Roseobacter clade 균주를 공배양하였다. 미세조류와 세균 그리고 박테리오파지의 상관관계 분석을 위해 Alexandrium tamarense, Roseobacter clade, Roseobacter clade phage 를 공배양한 결과, 박테리오파지에 의한 공생미생물 사멸로 유해미세조류의 성장도 감소하는 것을 확인하였다. 이번 연구를 통하여 박테리오파지에 의한 유해 미세조류의 저해를 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 담수 수계에서 신규 박테리오파지의 계통 및 유전학적 특성 연구를 통하여 다양한 박테리오파지를 확보하였다. 분리된 담수 박테리오파지는 앞으로의 연구에서 유용한 자원이 될 것이며, 담수 환경 내에서 이들의 역할 규명에도 도움을 줄것으로 사료된다.