충치 박테리아가 치아에 미치는 영향
박테리아 플라크의 놀랍도록 복잡한 구조 분석

충치(dental caries)를 일으키는 박테리아는 놀랍도록 정교한 전략을 사용한다.
이들은 치아에 돔 모양의 생물막을 만들기 때문에 다른 박테리아는 여러 층으로 보호된다. 이 돔 아래에서, 충치 박테리아는 치아 법랑질에서 방해받지 않고 치아 파괴 작업을 할 수 있다. 그들은 이곳에서 스스로 항균제에 철벽 방어를 한다. 

▲ 충치 병원균 Streptococcus mutans는 놀랍도록 복잡한 전략을 사용한다. photo: pixabay

충치는 거의 모든 사람에게 영향을 미친다.
전 세계적으로 23억 명의 사람들이 치아에 구멍이 있거나 치아 법랑질이 손상된다고 알려져 있다. 우리나라의 경우 80% 이상이 충치에 걸려 국민병으로 불리기도 한다.
이것은 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 종의 박테리아에 의해 유발되는데, 이는 치과 위생이 부적절할 경우 치아 표면에 완고한 침전물을 형성한다.

이 플라크 아래에서 미생물은 법랑질을 공격해 충치를 형성하는 산을 생성한다.

그러나 충치 박테리아가 어떻게 치석을 형성하고 다른 구강 박테리아가 관여하는지에 대한 정보는 매우 적다. 

▲ 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 사진: 위키미디어(CDC)

병원체는 돔 모양의 덮개를 형성

필라델피아의 펜실베이니아 대학교(University of Pennsylvania)의 김동엽과 그의 동료들은 충치 미생물의 전략을 면밀하게 조사했다. 그들은 먼저 치과 치료의 범위에서 어린이로부터 제거된 여러 치아의 미생물 침착물을 분석했다.

형광 마커와 공초점 레이저현미경(Confocal Laser Microscope)을 사용해 이러한 코팅의 내부 구조를 볼 수 있었다.

치아 플라크는 대부분 놀랍도록 복잡하게 구성되었다.
일부 생물막은 해초 초원이나 옥수수 속대와 같은 표면이고, 다른 것들은 가시가 많은 고슴도치와 비슷하다. 연구진은 3차원 돔 형태의 구조가 특히 눈에 띄었다고 밝혔다.
박테리아는 검사된 30개의 치아 샘플중 21개에 둥근 돔을 형성했다.

김동엽과 동료들은 “이 독특한 돔 구조는 충치에 의해 영향을 받는 치아에 미생물의 지역 조직을 위한 랜드마크로 판명됐다”고 보고했다. 

▲ 돔형 치아 플라크의 구조 © Dongyeop Kim, the SCIENCE plus

계층 구조

이 생물막-돔 내부를 우선 살펴보면 정제된 구조를 알 수 있다.
이 구조는 스트렙토코쿠스 뮤탄스 종의 충치 박테리아(충치 병원균)로 이뤄진 내부 핵으로 구성된다. 이것 주위에는 다른 무해한 구강 박테리아로 만들어진 여러 개의 외층이 있다.
충치 병원균은 설탕과 다른 영양소를 분해함으로써 치아 돔의 중앙에 집중되어 치아 법랑질을 손상시키는 산성 환경을 만든다.

추가 실험에 따르면 이 복잡한 구조는 우연이 아니다.
그들은 충치 병원체가 이러한 돔 구조의 형성을 적극적으로 촉진한다는 사실을 밝혔다.
충치 박테리아는 생물막을 안정화 시키고 돔 모양의 퇴적물을 위해 기여하는 세포외 가느다란 점액을 방출한다. 시간이 지남에 따라 초기 평평한 생물막은 Kim과 그의 팀이 발견한 것처럼 3차원 층을 만든다.

항균제에 대한 보호

이러한 복합 퇴적물은 충치 박테리아에 대해 두 가지 이점이 있다.
한편으로 이 미생물 서식지의 병원체는 주변으로부터 보호돼 그들에게 유리한 산성 조건을 만들 수 있다. 또 다른 면에서는, 그들은 실험에서 밝혀진 바와 같이, 이 생물막 구조물의 외부 층을 항균제로부터 보호한다.

이를 위해 연구원들은 활성 성분인 클로르헥시딘(chlorhexidine)으로 온전하고 개방된 돔 커버링을 처리했다. 이 방부제는 박테리아 퇴적물로부터 치아를 청소하는 데 사용되며 구강 세정액에도 포함되어 있다. 그러나, 온전한 생물막 돔에서 연쇄상 구균이 이 작용제의 소독 효과로부터 거의 완벽하게 보호된다는 것을 실험이 보여 주었다. 충치병원균은 손상된 돔 덮개에서만 소멸됐다.

"어떻게"에 이런 현상이 나타날까

요약하면, 이것은 충치 병원체가 치석의 독창적인 구조로 방해받지 않고 성공적으로 우리의 치아에 머문다. 독특한 생물막 돔은 충치 박테리아에게 보호막을 제공하기 때문에 박테리아에게는 유리한 환경이 조성된다. 파괴 작업을 수행하기 위한 최고의 전제 조건이 갖춰지는 것이다. 연구자들에 따르면, 항상 인간 마이크로바이옴*의 공간 구조를 고려하는 것이 중요하다.

“우리의 결과는 마이크로바이옴의 생물 지리학의 중요성을 강조한다"고 Kim과 그의 팀은 말했다. "병원성 미생물과 공생 미생물의 공간 구조가 국소적 손상 가능성을 결정할 수 있기 때문이다.”

* 마이크로바이옴(Microbiome) : 인체에 서식하는 "미생물(microbe)"과 "생태계(biome)"를 합친 말. 우리 몸에 사는 미생물과 그 유전정보를 일컬음. 인체 마이크로바이옴의 수는 순수한 인체의 세포 수보다 두 배 이상 많고 유전자 수는 100배 이상 많다. 따라서 미생물을 빼놓고 인간의 유전자를 논할 수 없을 정도이기에 제2의 게놈(Second Genome)이라 부르기도 한다.[네이버 지식백과] 마이크로바이옴 [Microbiome]

(National Academy of Sciences (PNAS), 2020; doi : 10.1073 / pnas.1919099117)
출처 : Proceedings of the National Academy of Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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