Wolbachia pipientis

뎅기열과 싸우는 슈퍼 히어로 박테리아 “볼바키아 피피엔티스(Wolbachia pipientis)”를 소개합니다.

볼바키아 피피엔티스는 1924년 Hertig와 Wolbach에 의해 처음으로 동정된 그람음성세균입니다(1-2). α-프로테오박테리아에 속하며, 절지동물, 선충과 같은 무척추동물에 널리 감염되어 있는 내생공생생물(endosymbiont)이기도 합니다^​1,2​. 어머니로부터 자손에게 수직 감염되는 경우가 많지만 간혹 종들 사이에 수평으로 전달되며, 이를 통해 볼바키아는 전 세계적으로 매우 넓은 범위의 절지동물을 감염시킵니다. 절지동물 종의 약 40%가 볼바키아에 감염된 것으로 추정되는데 이는 볼바키아가 절지동물들 중에서 가장 풍부한 내생 공생생물임을 가리키고 있습니다^​3​.

볼바키아의 가장 독특한 능력은 감염된 숙주의 생식 체계를 조작하여 숙주의 번식에 영향을 준다는 것입니다. 볼바키아에 감염된 숙주는 정자에 의한 수정 없이 딸만을 낳는 단위생식, 감염된 수컷이 암컷으로 변하는 여성화, 감염된 암컷 배아는 생장하고 수컷 배아만이 사망하는 남성 살해 등과 같은 방법으로 숙주의 생식을 조절합니다. 가장 대표적인 볼바키아의 효과는 세포질적 비호환성(CI, Cytoplasmic Imcompatiblility)입니다. 단순하게는 감염된 수컷이 감염되지 않은 암컷과 교배했을 때 배아의 사망을 유도하며, 더 복잡한 CI의 경우 같은 종이 서로 다른 볼바키아 변종에 감염되어 양립할 수 없는 양방향 비호환성을 나타냅니다. 볼바키아의 생식을 변화시키는 독특함은 많은 과학자들이 해충과 병원균 통제에 볼바키아를 활용할 수 있으리라는 가능성에 주목하도록 만들었습니다^​4​.

2011년 호주에서는 이러한 볼바키아의 가능성을 현실로 이끌어낸 연구가 수행되었습니다^​5,6​. 이 연구는 모기를 매개로 전파되는 뎅기열을 볼바키아를 이용하여 효과적으로 예방할 수 있다는 것을 요지로하고 있습니다. 뎅기열은 열대지방 전체에 널리 퍼져있는 주요한 바이러스성 질병으로 현재에도 백신이나 치료제가 없습니다. 주요 전염 벡터인 이집트숲모기(Aedes aegypti)를 억제하는 것만이 유효한 통제 방안이었으나, 살충제 등의 전통적인 방법으로 효과를 보지 못하고 있던 중 볼바키아는 야생 모기들 사이에 퍼트려 뎅기 전달 주기를 끊을 수 있는 유망한 도구로 관련 연구자들의 관심을 모았습니다.

볼바키아는 앞서 설명한 세포질적 비호환성 방법으로 감염되지 않은 이집트숲모기 집단에 빠르게 확산될 수 있었습니다. 모체에서 자손으로 전달되는 이 균주는 감염되지 않은 암컷이 감염된 수컷과 교배하여 낳은 알을 죽게 만들어 감염된 암컷의 자손만이 번성하도록 유도하는 방법으로 곤충 숙주 개체군에 급속하게 침입합니다. 이 뿐만 아니라 볼바키아의 흥미로운 특징은 뎅기 바이러스가 모기의 조직에서 복제되는 것을 막는 것입니다. 바이러스가 복제될 수 없기 때문에 인간에게 뎅기 바이러스를 전염시킬 수 없고 질병도 확산되지 않습니다. 호주 연구팀이 볼바키아 균주를 분리한 초파리(fruit fly)에서 이미 볼바키아가 Drosophila C virus의 증식을 막는다는 결과가 나와 있었고, 연구팀은 실험을 여러 번 반복하여 바이러스 증식 억제 효과가 일관적으로 나타나는 것을 확인하였습니다. 볼바키아를 이용한 뎅기열 억제 전략은 아래의 그림과 동영상에서 잘 요약하고 있습니다.

볼바키아에 감염된 모기를 자연계에 방출했을 때 지역사회에 해로운 영향이 있지는 않은지에 대한 우려도 있었습니다. 연구팀은 볼바키아가 모기의 침샘을 통해 인간의 혈류로 침투하기에는 너무 크기 때문에 인간에게 전달될 수 없다는 사실을 발견했습니다. 자원자들을 통해 3년 간 볼바키아에 감염된 모기에게 물린 사람을 추적했지만 인체에서 볼바키아 미생물 감염을 관찰할 수 없다는 사실도 밝혔습니다. 사실 볼바키아는 자연 상태에서 이미 모기를 포함한 많은 절지동물에 감염되어 있어 이러한 위험은 적다고 판단할 수 있습니다. 2011년 볼바키아 모기가 처음으로 방사되기 전에 호주 국립 과학 연구 기관인 CSIRO에 독립적인 위험 평가가 의뢰되었으며, 전문가 팀들은 모기 밀도의 변화, 뎅기열의 진화 가능성, 뎅기열과 관련된 위험에 대한 지역 사회의 인식 변화 등 어려운 문제들을 포함하여 면밀히 검토하였습니다. CSIRO의 최종 보고서는 볼바키아 모기의 방출이 사람들과 환경에 무시할 수 있는 가장 낮은 등급의 위험을 나타낼 것이라고 결론 내렸습니다.

볼바키아에 대한 연구는 전 세계적으로 진행되고 있으며 접근법도 다양합니다^​7​. 2019년에 발표된 한 연구는 볼바키아를 이용해서 뎅기열 감염률이 제일 높은 중국 광저우의 두 섬에서 흰줄숲모기를 거의 전멸시키는 효과를 얻었다고 발표하였습니다^​8​. 이는 볼바키아의 특징 중 하나인 양방향 세포질적 불일치성을 이용한 것으로 볼바키아에 감염시킨 모기를 살포한 후의 야생형 암컷 성체의 개체수는 2016년에 83%, 2017년에는 94% 감소하여 괄목할 만한 성과를 이루었습니다.

볼바키아를 이용한 성과는 꾸준히 이어지고 있으며 뎅기열뿐만 아니라 황열병, 지카 바이러스 등에도 적용하려는 시도가 계속되고 있습니다. 앞으로는 이를 더욱 확장된 규모에서 실시하여 효과적인 공중보건 전략으로 이어질 수 있도록 하는 것이 중요한 목표가 될 것입니다.