인체에 병원체가 침입하면 이를 방어하기 위한 면역 반응이 활성화된다
박테리아와 같은 미생물들도 인간처럼 바이러스인 박테리오파지에 의해 공격받는다
따라서 박테리아에도 그에 따른 면역 체계가 존재한다
바이러스는 감염 과정에서 박테리아에 자신의 DNA(일부 바이러스는 RNA)를 집어넣어 복제를 실시한다
결국 박테리아는 본연의 기능을 잃어버린 채 그대로 무한히 바이러스를 생산하는 공장이 되어 버리기도 하고, 내부에서 복제된 바이러스가 박테리아 자체를 터뜨려 버리며 탈출하기도 한다
이런 사태를 막기 위해 박테리아는 제한효소restriction enzyme를 분비해 방어한다
제한효소는 세포 내로 외부 DNA가 들어왔을 때(1)
바이러스로 의심되는 특정 염기서열이 있는 것을 감지하면(2)
활성화되어 해당 DNA의 특정 부분 당-인산 골격을 끊어 버려 무력화하는 방식으로 작동한다(3)
한 예시로 대장균의 제한효소 중 하나인 EcoRI는 위와 같은 서열을 잘라 낸다
이러한 특성상 원하는 유전자 부위를 자르고 붙이는 유전자 가위의 역할을 수행할 수 있어 유전공학에서도 사용된다
제한효소는 I형, II형, III형 3가지로 분류된다
여기서 I형과 III형은 인식하는 서열과 절단되는 서열이 다르기 때문에 유전공학에서 사용하기에 적절하지 않다
그러나 II형은 인식 부위와 절단 부위가 일치하기에 유전자를 편집하기에 용이하므로 자주 사용되고 있다
다시 면역 이야기로 돌아와서, 이 때 제한효소(REase)의 공격을 받는 DNA 인식부위와 동일한 서열이 박테리아 자신에게도 존재할 수 있다
그런 상황에서 박테리아는 메틸화 효소(MTase)로 자신의 DNA에 외부 DNA와 구분되는 메틸기(-CH3)를 붙여 자가절단을 방지한다
다만 바이러스도 제한효소를 회피하기 위해 다양한 방식으로 진화했다
박테리오파지 P1은 제한효소 자체가 발동하지 않도록 박테리아의 제한효소 유전자에 먼저 결합하여 무력화하는 단백질을 가진다
박테리오파지 람다는 자신의 DNA에 메틸기를 붙여 외부 유전자임을 숨겨 감염시킨다
이 외에도 박테리아에 인식되는 자신의 DNA 부위를 제거해 버리는 방식으로 회피하는 바이러스 등 다양한 회피 전략이 존재한다
제한효소는 박테리아의 면역 방식 중 하나일 뿐이며, 바이러스 부착이 어렵도록 세포벽 변형, 바이러스에 대한 독소 분비 등의 수십가지 방식을 가지고 있다
심지어 박테리아 개체가 감염될 경우 군집 전체의 감염을 막기 위해 독소를 분비하여 '자살'을 하기도 한다
언뜻 만화 속 자폭처럼 최후의 수단처럼 보이지만, 이것도 자살유전자를 무력화하거나 해독 단백질을 만드는 유전자를 가진 바이러스까지 존재한다
박테리아의 면역체계에 대해선 아직도 알려지지 않은 부분이 많다
가장 잘 알려지고 연구되는 박테리아인 대장균조차 2022년에 기작을 알 수 없는 파지 면역체계가 새로 발견될 정도이다
어쩌면 지금 각자가 화면을 슬라이드하는 손 끝에서도 박테리아와 파지가 창과 방패의 대결을 벌이다가 전에 없던 새로운 시스템을 만들어 낼 지도 모르겠다
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Bernheim, A., Sorek, R. The pan-immune system of bacteria: antiviral defence as a community resource. Nat Rev Microbiol 18, 113–119 (2020).
Kelly, A., Arrowsmith, T. J., Went, S. C., & Blower, T. R. (2023). Toxin-antitoxin systems as mediators of phage defence and the implications for abortive infection. Current opinion in microbiology,
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