페니실린은 감염을 일으키는 미생물을 죽이는 데 그치지 않고 미생물학까지 위축시켰다. 스코틀랜드 사람 알렉산더 플레밍이 1928년에 개발한 페니실린은 2차 세계대전 때 많은 감염자를 구했지만 페니실린의 등장으로 미생물학은 오히려 위축됐다. 지난해 12월 22일 만난 윤상선 연세대학교 의과대학 교수(미생물학 교실)는 “미생물학이 다시 중흥기를 맞은 건 1990년대 후반이다. NGS(차세대 서열 읽기)라는 새로운 유전자 서열 읽기 기술이 이때 나왔고 이를 이용해 장내 미생물 군집(Microbiom·마이크로바이옴)을 연구할 수 있게 되었다”라고 말했다.

건강한 사람의 장에는 미생물이 1000 종이나 산다. 이 미생물 중 상당수는 우몸에 이로운 일을 한다. 윤 교수는 “미생물은 우리를 아프게 한다고 생각했으나 우리에게 좋은 일을 하는 미생물이 많다는 걸 알게 됐다. 우리를 아프게 하는 미생물도 있으나, 절대 다수는 이로운 일을 한다”라고 말했다. 장, 피부, 콧구멍, 입안, 그리고 여자의 질 내부에는 모두 ‘공생미생물’이라는 것들이 산다. 윤 교수는 “조금만 먹어도 살찌는 사람이 있다. 전에는 유전적 차이가 원인일 거라고 생각했다. 요즘은 장내 미생물이 달라서 그렇다고 생각한다”라고 말했다.

‘암 발생도 미생물과 관련 있다’

공생미생물이 인간의 생명현상에 영향을 주는 사례는 무척 많다. 비만은 관심을 모은 첫 번째 이슈다. 이어 당뇨, 고혈압과 같은 대사질환, 그리고 치매와 같은 뇌질환에도 장내 미생물이 영향을 줄 수 있다는 게 확인되었다. 또 아토피성 질환과 같은 피부면역 질환에 누구는 걸리고 누구는 걸리지 않는 것도 장내 미생물 때문이라고 미생물학자들은 생각한다. 윤 교수는 “심지어 암 질환과 미생물과의 관계도 그럴 걸로 보고 있다”라고 말했다. 같은 종류의 암인데도 누구는 걸리고 누구는 걸리지 않는 이유를 장내 미생물에서 찾으려 한다는 것이다.

2013년 미생물학계에 기념비적 논문이 나왔다. 네덜란드 라이덴대학교 연구진(Josbert J Keller 외)이 임상의학 최상위 학술지인 ‘뉴잉글랜드 의학 저널(New England Journal of Medicine)’에 발표한 논문으로, ‘분변이식요법’을 세상에 알린 논문이었다. 당시 항생제로 다스릴 수 없는 슈퍼세균이 세계적으로 아주 큰 문제였다. 클로스트리디움 디피실레(Clostridium difficile, 줄여서 ‘C. 디피실레’라고 한다)도 그런 슈퍼세균 중 하나다. C. 디피실레는 장염을 일으키는데 항생제가 잘 듣지 않는다. 그런데 라이덴대학교 연구진이 건강한 사람의 분변을 환자의 장에 이식해 이 슈퍼세균 치료에 효과를 봤다고 보고했다. 미생물을 치료제로 볼 수 있다는 개념이 이때 생겼다.

윤상선 교수에 따르면 한국에서는 연세대 의대 감염내과 최준용 교수가 2018년쯤 분변이식 치료에 처음으로 성공했다. 등산을 갔던 50대 남자가 산에서 다쳐 병원에 치료받으러 왔다가 C. 디피실레에 감염됐다. 전형적인 병원 내 감염이었다. 항생제도 듣지 않아 그는 의식을 잃어갔다. 그때 최준용 교수는 네덜란드 의료진이 보고한 분변이식요법을 적용했다. 환자 부인의 ‘분변’을 얻어다 식염수에 풀어 그 안에 들어 있는 장내 미생물을 얻었다. 한집에 같이 먹고사는 식구는 장내 미생물 환경이 비슷하다. 일정한 시간이 지나자 남편은 기적같이 살아났다.

이후 세계적으로 분변 치료가 관심을 모았지만 2019년쯤 분변이식술을 받은 사람이 죽는 사고가 일어났다. 과학적으로 확인되지 않은 상태에서 말기암 환자, 말기 신부전증 환자에게 무분별하게 분변이식요법을 적용하다가 발생한 일이었다. 문제가 된 분변 미생물들은 나중에 보니 항생제 내성을 갖고 있었다. 윤 교수는 “그래서 요즘은 분변 기증을 받기 전에 기증자가 편식을 하는지, 식생활은 어떤지, 항생제 복용한 게 있는지를 본다. 특히 PCR(중합효소연쇄 반응) 검사를 해서 항생제 내성 유전자를 갖고 있는 사람인지를 확인한다”라고 말했다.

가족 분변을 환자 몸속에 넣었더니…

‘분변이식요법’에 대한 임상 의사들의 잇따른 보고를 접한 후 미생물학자들이 분변의 미생물 연구에 뛰어든 건 당연한 수순이었다. 미생물 군집에 어떤 미생물이 있는지를 이해하려고 했고 미생물, 즉 세균을 단독으로 혹은 세트로 이식하는 데 관심을 쏟았다.

윤상선 교수는 원래 병원성 세균, 즉 감염 미생물학을 공부했다. 미국 신시내티의과대학에서 폐렴을 일으키는 녹농균(PA01)을 연구해 2004년 박사학위를 받았고 이후 하버드대학교 의과대학에 박사후연구원으로 일하면서 콜레라균을 연구했다. 윤 교수는 “그때만 해도 공생미생물 개념이 없었다. 감염되면 어떤 면역반응이 있는지, 어떤 독성물질을 내기에 아픈가 하는 걸 연구했다”라고 말했다. 그가 ‘공생미생물’ 연구를 시작한 건 연세대학교 의과대학 미생물학 교실 교수로 부임한 2009년 이후. 윤 교수는 “사람 몸, 병원성 세균, 공생미생물이라는 3자 간의 삼중 상호작용을 이해해야 했다”라며 다음과 같은 이야기를 들려줬다.

“사람 콧구멍으로 병원성 세균과 병원성 바이러스가 많이 들어간다. 그럼에도 우리는 자주 아프지는 않는다. 그 이유는 몸안의 공생미생물이 뭔가 역할을 하기 때문이라고 생각했다. 반대로 심하게 감염되어 아픈 것도 몸과 세균, 공생미생물 간의 삼중 상호작용 결과라고 생각했다. 당시 이런 생각을 하게 된 건 항생제에 저항하는 세균 문제 때문이었다. 항생제 저항성 세균이 세계적으로 굉장히 중요한 이슈다. 그래서 감염을 연구하는 입장에서, 항생제를 쓰지 않고도 감염을 제어할 수 있을까를 생각했다. 연세대학교에 부임하면서 호흡기 감염인 녹농균과 장내 감염인 콜레라, 두 가지를 연구하려고 했다. 콜레라를 먼저 시작했다. 당시 장내 미생물 연구가 활발했기 때문이다.”

‘콜레라에 저항하는 장내 미생물 발견’

그의 콜레라 연구 산물 중 하나가 2019년 10월 미생물군집 관련 학술지인 ‘마이크로바이옴’에 발표한 논문이다. ‘항생제가 필요 없다, 콜레라에 저항하는 장내 미생물을 발견했다’는 게 논문의 핵심이었다. 윤 교수는 이어 호흡기에 있는 공생미생물 연구도 했고, 그 결과를 같은 학술지에 비슷한 시기에 내놨다. 콧속에 있는 좋은 세균이 호흡기 바이러스 폐 감염을 억제한다는 내용이다.

당시 생쥐를 갖고 연구했는데 생쥐는 사람과 달리 콜레라에 감염되어도 별다른 증상이 없다. 2015년쯤 윤 교수가 연세대학교 동물실에 있는 생쥐의 마이크로 바이옴을 이루는 장내 미생물을 조사한 결과 약 50종을 발견했다. 사람의 20분의1쯤 된다. 그는 생쥐의 장내 미생물 분포 바꾸기를 시도했고 항생제도 사용해봤다. 가령 A항생제가 잘 죽이는 미생물종이 있고, B항생제가 잘 듣는 미생물이 있다. 스트렙토마이신 등 세 개의 항생제로 처리했더니, 생쥐의 장내 미생물이 급격하게 변했다. ‘1번’ 미생물 그룹이 장내 미생물 분포의 75%를 차지했으나, 스트렙토마이신 처리를 하자 1번 그룹은 거의 사라졌다. 그 자리를 5번 그룹이 차지했다. 장내 미생물 환경이 달라진 상태에서 콜레라균에 생쥐를 노출시켰더니 콜레라에 감염됐다. 장내 미생물 분포가 바뀌니 콜레라에 안 걸리던 생쥐가 콜레라에 걸린 것이다. 윤 교수는 “콜레라에 감염된 생쥐를 처음으로 만드는 데 성공했다. 결국 공생미생물과, 미생물이 살고 있는 동물(host), 그리고 병원균 간의 상호작용이 중요하다는 걸 확인할 수 있었다”라고 말했다.

당시 1번 세균 그룹이 무엇인가 보니 박테로이데테스(Bacteroidetes)였고, 박테로이데테스에 속하는 세 가지 세균 중 가장 많은 건 불가투스였다. 윤 교수는 “그러면 박테로이데테스 불가투스라는 단일 미생물이 쥐에 콜레라 감염을 일으키는지를 증명할 차례다. 이걸 증명하면 이 미생물이 콜레라 치료제가 될 수 있는 것이다”라고 말했다.

이후 연세대학교 의과대학교 동물실이 보유하고 있는 무균 생쥐로 실험을 했다. 무균 생쥐는 장내 미생물이 없다. 무균처리된 비닐박스에서 태어나 엄마 쥐에서 제왕절개술로 꺼낸다. 정상적인 출산의 경우 엄마 쥐의 질을 빠져나올 때 질에 있는 공생미생물에 노출되기 때문이다. 이후에도 살균된 먹이를 먹여 키운다. 무균 생쥐는 일반 생쥐에 비해 면역기능이 떨어지고 체구도 작다. 윤상선 교수는 “공생미생물이 있어야 정상적인 몸의 발달과 면역이 만들어진다는 걸 면역 생쥐를 봐도 알 수 있다”라고 말했다. 연세대학교 의학대학은 윤 교수가 일하는 에비슨센터 지하 3층 동물실에서 무균 생쥐를 키운다.

박테로이데테스 불가투스를 이식하고 하루가 지나 콜레라균에 감염시켰지만 콜레라균이 잘 살지 못했다. 대조군에는 열처리해서 죽인 박테로이데테스 불가투스를 이식했다. 그런 뒤에 콜레라균을 이식했더니 생쥐가 콜레라균에 감염된 증상을 보였다. 불가투스가 콜레라 감염 억제 및 치료에 효과가 있음을 확인하는 데 성공한 것이다. 불가투스가 살아서 활성화 상태로 장에 있어야 콜레라 감염을 억제할 수 있겠다는 결론을 내릴 수 있었다. 불가투스가 활성화한 장에는 그렇지 않은 쥐의 장보다 콜레라균이 100배 정도 적게 존재했다.

윤상선 교수에 따르면, 콜레라를 치료하는 좋은 백신이 현재는 없다. 콜레라는 거의 정복이 끝난 줄 알았는데 그렇지 않다고 하니 의외다. 앞으로 좋은 콜레라 백신을 만드는 게 중요하다고 한다. 이 상황에서 윤 교수의 코로나19 치료 접근법은 새로운 방식이다. 장내 미생물로 콜레라를 치료한다는 생각은 이전에는 없었다. 윤 교수는 연구(research)에서 멈추지 않고 개발(development)로 까지 가는 일을 진행하고 있다. 콜레라 치료 의약품을 만들려고 하는 것이다.

콜레라균 미생물 치료제 개발

한국에는 콜레라 환자가 없어서 방글라데시 의학자와 협력하고 있다. 방글라데시에는 매년 상당수의 콜레라 환자가 발생한다. 그는 2018년 방글라데시 수도 다카를 찾았다. 유엔 산하기관인 국제설사병연구소(icddr,b)의 무니룰 알람(Munirul Alam) 박사의 안내를 받아 찾은 병원에는 콜레라로 죽어가는 사람들이 있었다.

현재 윤 교수는 콜레라균 미생물 치료제를 개발하기 위한 연구과제 제안서를 쓰고 있는 중이다. 제3세계 감염 질환 치료를 위한 연구개발(R&D)을 하는 기관에 연구비를 신청하려고 한다. 과제에 선정되면 연구비 40억원을 받을 수 있다. 향후 치료제 개발까지 가기 위해서는 콜레라 환자를 대상으로 한 임상시험을 방글라데시에서 해야 한다. 이는 까다롭고 시간이 적지 않게 걸린다.

그의 콜레라 치료제 개발 구상에는 미국 뉴욕시티칼리지의 스테판 푸카츠키(Stefan Pukatzki) 교수가 함께하고 있다. 푸카츠키 교수는 윤 교수와 하버드대학교 의과대학의 한 실험실에서 박사후연구원으로 같이 일했던 친구다. 당시 이들이 일한 연구실 책임자는 하버드대학 존 메칼라노스(John Mekalanos) 교수였는데 윤 교수는 당시 보스에 대해 “콜레라 연구의 아버지와 같은 분”이라고 말했다. 메칼라노스 교수는 콜레라균이 내놓은 콜레라 독소(toxin)를 1980년대 발견했다. 콜레라에 감염되고 악화되면 사람이 죽는다는 걸 옛날부터 알고 있었지만 나쁜 짓을 하는 원인 분자가 무엇인지는 그때까지 몰랐다. 메칼라노스 교수는 콜레라균이 내놓는 콜레라 독소 분자를 찾아냈고, 독소가 어떤 작용을 하고, 왜 설사를 일으키는지를 이해하는 데 결정적 공헌을 했다. 그리고 그의 실험실에서 일했던 두 사람 중 푸카츠키 교수는 콜레라 백신 개발 쪽으로 연구를 하고 있다. 반면 윤상선 교수는 미생물을 이용한 콜레라 치료 연구를 하고 있다. 윤 교수는 “박사과정 때는 호흡기 감염을 일으키는 균(녹농균) 연구를 했는데 박사후 과정 때는 장내 감염을 연구하고 싶었다. 식중독, 이질균, 장티푸스가 다 장내 감염인데 그중에서도 콜레라 연구를 하게 됐다”라고 자신의 연구 배경을 설명했다. 그리고 박사과정 때 연구로는 2006년 의생명과학 학술지 JCI(Journal of Clinical Investigation)에 쓴 논문이 있다고 했다.

그가 연구했던 녹농균은 폐렴을 유발한다. 폐렴에 걸린 사람의 90% 이상이 녹농균 감염이다. 치료도 어렵다. 윤상선 박사과정 학생이 녹농균을 연구하면서 알아낸 건 질산염으로 녹농균을 죽일 수 있다는 것이었다. 그의 연구는 영국 BBC도 보도할 정도로 주목을 받았다. 윤 교수가 BBC 사이트를 열고 검색하니 아직도 기사가 있었다. 2006년 1월 27일 보도인데 기사 제목이 ‘식품첨가제가 폐 세균을 제거한다’이다. 여기서 식품첨가제란 질산염을 가리킨다.

미국 신시내티에서 그가 녹농균을 연구할 때만 해도 폐는 무균 상태라고 알려져 있었다. 혈액이 무균 상태인 것과 마찬가지라고 생각했다. 폐의 경우 콧구멍을 포함한 상(上)기도에는 균이 있을 수 있지만 성대 아래인 하(下)기도에는 균이 없다고 생각했다. 하지만 이후 유전자 서열 읽기 기술이 발달하면서 하기도를 들여다보니 그곳에서도 균을 검출할 수 있었다. 하기도 역시 무균 상태가 아니라는 걸 확인한 것이다. 윤 교수는 “이후 상기도와 하기도에 있는 공생미생물에 사람들이 관심을 가지기 시작했다”라고 말했다.

호흡기 바이러스 치료하는 기도 속 미생물

기도의 공생미생물 연구는 서울대학교 이비인후과의 김현직 교수(임상 의사)와 공동으로 했다. 김 교수가 이비인후과를 찾아온 건강한 사람 49명의 상기도 미생물 샘플을 확보해 2016년쯤 시작했다. 이후 표피포도구균(Staphylococcus epidermidis)이 높은 비율로 존재한다는 걸 알아냈다. 49명 모두 콧속에서 이 세균이 검출됐다. 윤 교수는 “이 연구의 재미는 49명이 갖고 있는 표피포도구균이 하는 일이 조금씩 다르다는 걸 알아낸 것이다. 같은 종이라도 유전적으로 조금씩 다르다. 호모사피엔스인 사람도 사람마다 유전적으로 조금씩 다르지 않느냐”라고 말했다.

이 결과 역시 생쥐 연구로 알아냈다. 5번째 사람과 28번째 사람이 갖고 있는 공생미생물인 표피포도구균을 각각 생쥐의 코 안에 발라준 후 일정 시간이 지나 녹농균을 집어넣었다. 5번 표피포도구균을 가진 생쥐는 녹농균에 감염되지 않았고, 28번 표피포도구균을 가진 생쥐는 녹농균에 감염되어 모두 죽었다. 윤 교수는 “똑같은 종의 미생물인데도 동일한 일을 하지 않는다는 걸 우리가 새롭게 찾아냈다”라고 말했다. 최종적으로 5번 표피포도구균이 호흡기 면역 시스템을 재편성해서 녹농균 감염을 막는다는 의미 있는 발견을 했다. 이 연구 결과를 주요 학술지에 보냈고 심사 결과를 기다리고 있다.

그러면 5번 표피포도구균은 왜 그런 감염 억제 효과를 갖는 것일까? 윤상선 교수는 “이건 또 다른 심오한 연구 주제”라면서 그 원인을 찾아냈다고 했다. 5번과 28번 표피포도구균이 만들어 밖으로 내보내는 물질들을 모조리 비교 분석한 결과 5번 표피포도구균은 특정 단백질을 굉장히 높은 농도로 만들어내는 걸로 나타났다. 이 단백질이 뭔지도 알아냈고 이름도 알고 있다. 이 단백질을 생쥐의 코에 넣어주고 녹농균을 집어넣었더니 생쥐가 죽지 않았다. 감염 억제제 또는 치료제로 효과가 있다는 걸 확인한 셈이다. 윤상선 교수 그룹은 이 단백질이 바이러스성 호흡기 감염에도 효과가 있다는 걸 알게 되었다. 윤 교수는 “세균성 및 바이러스성 호흡기 감염에 모두 효과가 있다. 특허를 출원 중이다”라고 말했다. 그는 이 연구 결과를 약으로 만들어내기 위해 제안서를 얼마 전 한 기관에 냈다고도 했다. 윤 교수는 “연구에 그치지 않고, 임상과 신약으로 만드는 일까지 해내고 싶다”라고 말했다.