눈에 뵈지도 않고, 가끔 뉴스에 나오면 질병을 일으키는 천덕꾸러기처럼 여겨지지만, 알고 보면 박테리아는 매우 지능적이다.

서로 전자신호를 주고받으며 소통하면서 공동으로 문제를 해결하고, 친구를 끌어들이는 사회적인 미생물이다.

의사들은 박테리아를 섬멸하려고 항생제를 투여하지만, 박테리아는 항생제에 대항하는 법까지 배워서 거꾸로 의약품을 무력화시키기도 한다.

이 박테리아의 알려지지 않은 비밀이 잇따라 발견되고 있다.

최근 과학저널 셀(Cell)에는 박테리아가 전자신호를 주고 받으며 서로 통신한다는 연구결과가 게재됐다.

박테리아는 ‘박테리아 공동체’가 건전하게 유지되도록 주변 박테리아와 원활한 의사소통을 하는데 이때 전자신호를 주고 받으면서 소통한다는 것이다.

 이는 신경세포(neuron)가 전자신호로 소통하는 것과 유사하다.

서로 소통하면서 박테리아 공동의 문제 해결

또 하나 놀라운 것은 박테리아는 이 같은 소통능력을 바탕으로 ‘조직화’에 능하다는 점이다.

과학자들이 인공지능과 로봇이 정말로 인류를 위협하려면, 인공지능 로봇끼리 ‘조직화’할 수 있어야 한다는 점을 꼽는다.

 박테리아가 ‘조직화’하는 능력이 있다는 점은 박테리아의 엄청난 잠재력을 보여주는 부분이다.

미국 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스(UC San Diego) 시스템생물학 센터의 구롤 수엘(Gürol Süel) 분자생물학 교수는

 “우리들은 생물막(biofilm) 안에 사는 박테리아 공동체가 전자신호를 통해 다양한 박테리아와 교신하는 것을 발견했다”고 말했다.

UC샌디에이고 대학 뉴스센터 웹 사이트에 올린 보도자료에서 수엘 교수는

“박테리아는 자신이 속하지 않은 먼 공동체에 있는 세포들에게도 장거리 신호를 보내 교류한다”고 밝혔다.

생물막은 박테리아와 다른 미생물들이 살고 있는 공동체 사회이다.

연구팀의 박사과정 학생인 재클린 험프리즈(Jacqueline Humphries)는

 “생물막 안에 거주하는 박테리아는 친구들에게 전자메시지를 보내는 것과 비슷한 일을 한다”고 재미있어 했다.

험프리즈는 “한 종에 속한 박테리아가 다른 종에 속한 새로운 멤버를 모집하는데 필요한 장거리 전자신호를 보낼 수 있다.

결과적으로 종 사이의 신호전달이라는 새로운 메커니즘을 확인했다”고 덧붙였다.

연구팀은 고초균(Bacillus subtilis) 생물막에서 나온 전자신호가 먼 거리에 있는 세포를 유인할 수 있음을 발견했다.

 다양한 실험과 수학적 모델링 기법을 활용해서 연구팀은 또 고초균에서 나온 전기 신호가 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)를 유인할 수 있다고 저널에서 밝혔다.

이번 연구는 박테리아가 인간에게 어떤 영향을 미치는지를 이해하는데 매우 중요한 발견이 될 것으로 보인다.

수엘 교수는 “우리 연구팀의 최신 발견은 서로 다른 종의 박테리아로 이뤄진 혼합 공동체,

예를 들어 인간의 장내 미생물군이 전자신호로 조절될 지 모른다는 점을 시사한다”고 말했다.

수엘 교수는 “박테리아와 인간 장내 세포가 전자적으로 서로 간섭하는 것이 가능할 수 있으므로, 

미래에는 전자를 바탕으로 한 생의학적 방식으로 치료가 가능하게 될 것으로 보인다”고 말했다.

박테리아와 인간의 장내 세포가 서로 협업을 할 수 있는 것이다.

박테리아와 장내 미생물 교류도 가능할 듯

박테리아가 전자신호를 주고 받으며 소통할 때 ‘이온 채널’이라고 불리는 작은 구멍으로 전기를 띈 분자가 세포 안팎으로 드나든다.

 이런 방식으로 칼륨 이온(potassium ion)이 전체 생물막에 영향을 미친다. 이는 사내 전산망을 통하면 모든 사원에게 똑같은 이메일이 전달되는 것과 비슷하다.

자클린 험프리즈는 아틀란틱(The Atlantic)과의 인터뷰에서 “놀라운 것은 칼륨 이온이 모든 세포들 사이에 유통되는 기본 화폐와 같다는 점이다”고 말했다.

이 연구팀은 2015년에는 생물막 안에 있는 세포들이 먹이를 놓고 경쟁하면서 벌어지는 사회적인 분쟁을 스스로 해결한다는 놀라운 사실을 발견하기도 했다.

박테리아 공동체의 중앙에 있는 세포들은 만약 먹을 것이 부족할 경우 전하를 띈 펄스를 보낸다.

 이 신호를 받으면 박테리아 공동체의 외곽에 있는 박테리아들은 먹거리 소비를 멈춘다. 박테리아의 의사소통과 조직화는 이만큼 대단한 능력을 발휘하는 것이다.

이 연구팀은 박테리아의 외부를 구성하는 생물막을 연구해왔다.

생물막은 박테리아가 다른 표면에 달라붙도록 하는 풀과 같은 역할을 한다. 생물막은 사람 이빨에 있는 플라그에도 존재하고, 바위 아래쪽에도 나타난다.

이 생물막에 과학자들은 관심이 많다.

왜냐하면 박테리아는 소통하는 능력을 바탕으로 자기들끼리 힘을 합쳐, 항생제나 화학물질에 대해서도 강한 내성(耐性)을 갖는 새로운 변종으로 변화하기 때문이다.

과학자들이 생물막에 주목하는 이유는 또 있다. 사람 인체에 영향을 미치는 세균 감염의 80% 이상이 생물막과 연관이 있다고 보기 때문이다. 

그러므로 박테리아가 생물막을 어떻게 만드는지를 알 수 있으면, 생물막을 파괴하는 방법을 발견해서 더 잘 듣는 의약품 생산에 큰 도움이 될 것이다.

박테리아는 자신이 붙어 살 만한 단단한 표면을 발견하면, 점액질을 분비해서 생물막을 형성한다. 그리고 박테리아는 이 생물막 안에 들어가 사는 것이다.