Genomic research of bacteriophage and bacteriophage therapy against Aeromonas hydrophila and Vibrio parahaemolyticus

Abstract

Aeromonas spp.는 정상적인 수중환경에 존재하는 주요 세균으로, 최근 어류 뿐만 아니라 인간에게도 피해를 유발하는 수인성 병원균으로서 주목받고 있다. Aeromonas hydrophila는 어류에서 질병을 유발하는 운동성 aeromonad의 일종이며 질병 발생시 높은 폐사를 야기한다. 최근 양식 환경에서 분리된 Aeromonas sp.에서 항생제 내성 발생 빈도의 증가가 보고되고 있다. 여러 종류의 항생제에 내성을 획득한 A. hydrophila는 실제 양식 환경에 존재하고 있으며 한국 어업에 많은 폐사를 일으키고 있다. 국내산 미꾸라지의 대부분은 양식산이며 A. hydrophila는 미꾸라지 폐사의 주요 원인으로 알려져 있지만, 양식산업에서의 A. hydrophila 감염증에 대한 대책으로 항생제 투여외에는 그 어떤 효과적인 대책도 없는 실정이다. 국내의 어류 양식장에서 발생한 다수의 항생제에 내성을 보이는 A. hydrophila 감염에 의한 미꾸라지의 폐사를 막기 위한 방안을 연구하기 위하여, 한강에서 pAh1-C와 pAh6-C라고 명명된 박테리오파아지 (이후 파아지)를 분리하였다. 두개의 파아지는 형태학적으로 Myoviridae로 분류되었고 A. hydrophila 균주들에 유사한 감염 양상을 나타내었다. 두개의 파아지는 55 kb (pAh1-C)와 58 kb (pAh6-C) 크기의 double-strand DNA를 보유하고 있었으며, 그 두 파아지의 DNA는 제한 효소 이용 분석에서 서로 다른 패턴을 보였다. 두 파아지는 모두 어류에서 병원성을 유발하는 A. hydrophila에 대해 효과적인 세균 억제 능력을 갖고 있는 것으로 드러났다. 두 파아지의 latent period는 대략 30 분 (pAh1-C)과 20 분 (pAh6-C)으로 관찰되었고 burst size는 60 (pAh1-C)과 10 (pAh6-C)으로 측정되었다. 생체외 실험실 상에서 관찰된 세균 억제 능력 측정에서 드러난 바와 같이, 본 파아지들은 세균의 성장을 효과적으로 억제하는 것으로 판명되었다. 또한 미꾸라지를 대상으로 한 일회성의 파아지 투여는 A. hydrophila 감염증에 대해 괄목할 만한 방어 효과를 나타내며 생존율이 크게 향상되었다. 이러한 연구 결과는 pAh1-C와 pAh6-C, 이 두 파아지가 어류에서 A. hydrophila 감염증에 대한 치료제로서의 충분한 가능성을 갖고 있음을 증명하고 있다. Vibrio parahaemolyticus는 위장관질환을 유발하는 주요 원인체이다. 본 감염증은 불완전하게 조리된 해산물, 특히 굴의 생식과 밀접하게 관련되어 있다. 전세계적으로 V. parahaemolyticus는 주요 감염증의 원인으로 알려져 있다. 동아시아인들, 특히 한국인과 일본인은 독특한 식습관을 가지고 있다. 한국인들은 다양한 종류의 어류와 어패류를 생식한다. 생굴은 다량의 V. parahaemolyticus를 함유하고 있으며 생굴 섭취는 질병 발생의 위험성이 있음에도 불구하고, 대부분의 한국인들은 그 신선한 풍미와 높은 영양소를 즐기기 위하여 조리된 굴보다 생굴을 더 선호한다. O3:K6 와 같은 V. parahaemolyticus pandemic strain은 세계 여러 국가에서 대규모 식중독의 원인균으로 알려져 있다. 다수의 항생제에 내성을 보유한 Vibrio 세균의 출현은 심각한 범세계적 문제로 인식되어 왔다. 최근 분리된 V. parahaemolyticus pandemic strain들은 다수의 항생제에 내성을 나타내었으며 이는 감염되었을 경우 치료 실패의 가능성에 대한 우려를 증폭시키고 있다. 이에, 다수의 항생제 내성 V. parahaemolyticus pandemic strain에 대한 항생제 대체 방법이 절실히 요구되고 있다. V. parahaemolyticus에 감염되며 pVp-1으로 명명된 파아지가 황해 연안에서 분리되었다. 파아지는 V. parahaemolyticus pandemic strain을 포함하여, 다수의 항생제 내성 V. parahaemolyticus와 V. vulnificus에 효과적인 감염성을 나타내었다. 다수 항생제 내성 V. parahaemolyticus pandemic strain을 이용한 마우스 감염 실험 모델을 활용하여 본 파아지의 치료제로서의 가능성에 대하여 검증하였다. 파아지를 투여한 마우스는 V. parahaemolyticus 감염증에 대하여 충분한 방어력을 보였으며, 식이와 복강 주사를 통한 치사량에 달하는 세균 감염에서도 생존력을 나타내었다. 본 연구는 다수의 항생제 내성 V. parahaemolyticus pandemic strain에 대한 파아지 치료의 최초 보고이다. V. parahaemolyticus에 감염되는 신규 해양 siphovirus pVp-1가 황해의 연안에서 분리되었고, 이의 유전체가 보고되었다. pVp-1의 double-strand DNA 유전체는 111,506 bp, 39.71%의 G + C 함량으로 분석되었다. pVp-1의 유전체 분석에서는 pVp-1이 T5 파아지와 높은 유전체적 유사도를 갖고 있다는 것이 증명되었고, 이는 pVp-1과 T5 사이의 밀접한 유전체적 관련성을 시사하는 것이었다. pVp-1과 T5를 대상으로 하는 유전체적 유사성 분석 결과에서는 이 두 파아지가 유전체 구성에 있어서 높은 유사성을 보유하고 있음이 제시되었다. 이러한 결과를 바탕으로, 항생제 내성 A. hydrophila에 감염하는 Aeromonas 파아지가 양식 환경에서의 Aeromonas 감염증에 대한 치료제 혹은 예방제제으로서의 충분한 가능성을 보유하고 있음이 확인되었다. 또한 V. parahaemolyticus CRS 09-17 세균을 이용한 마우스 대상의 파아지 치료 실험은 pVp-1 투여가 V. parahaemolyticus 감염증으로부터의 방어를 가능하게 하며, 다수의 항생제 내성 pandemic strain에 의해 야기되는 대규모 전염병의 피해를 최소화하는데 치료제로서 사용될 수 있다는 것이 증명되었다.