실패로부터 시작된, 복어독(TTX) 생물학적 해독 연구사 30년

내용:

복어는 쫄깃한 식감과 높은 영양가로 동아시아에서 인기있는 식재료이다. 그러나 내장과 알 등에 존재하는 맹독인 테트로도톡신(이하 TTX)으로 인해 엄격한 손질을 하지 않는 이상 먹을 수 없다.

TTX는 신경독의 일종으로 2mg만 섭취해도 근육이 마비되어 숨을 쉬지 못해 죽게 되며, 명확한 해독제는 아직 존재하지 않는다.

-지중해 내 은띠복의 확산을 나타낸 지도

-복어에 대해 경고하는 그리스 파로스 섬의 경고문

더구나 기후변화로 수온이 올라가자 수에즈 운하를 통해 복어가 전 지중해에 자리를 잡는 일이 일어나 유럽에서도 중독사고가 증가하고 있다[1].

또한 복어를 안전하게 먹더라도 버려지는 내장에서 유출되는 TTX가 생태계에 악영향을 끼치기 때문에 효율적인 제거 방식이 필요한 실정이다.

기존의 TTX제거 방식은 고열로 분해하거나 또는 알칼리 처리로 활성기를 불활성화하는 방식을 사용했다.

그러나 이는 폐기물 처리에는 사용할 수 있지만 그 과정에서 또다른 환경오염을 일으키며, 중독된 사람에 고열이나 알칼리 처리를 할 수는 없기 때문에 안전한 해독제 개발이 필요한 상황으로 여러 연구가 이어지고 있다.

그러던 중 일본 이시카와 현의 복어알젓인 후구노코누카즈케(ふぐの子糠漬け)는 그 특성으로 인해 연구자들의 관심을 끌었다.

후구노코누카즈케는 TTX가 농축된 부위인 복어알을 쌀겨에 절여 발효시키는데, 몇 년이면 알에 있던 독성이 사라져 식용이 가능하다.

이에 1995년 생물학적 TTX 제거 방식을 이해하고 해독제를 개발하고자 도쿄수산대학 고바야시 교수의 주도로 해당 젓갈에 대해 최초의 미생물 분석이 이루어졌다[2].

분석 결과 숙성기간이 길어질수록 유산균 및 호염성 고균들이 이 증식하는 현상을 확인할 수 있었다.

하지만 이 첫 단서를 발판 삼아 이루어진 고바야시 교수의 다음 연구들에서, 해당 미생물들이 TTX 감소와 어떤 관련이 있는지는 밝힐 수 없었다.

발견된 미생물들을 분리해 TTX가 있는 배지에 접종한 뒤, 전후 배지에 존재하는 TTX양을 비교해 보았으나 감소 효과가 나타나지 않은 것이다.

그런데 젓갈에서 검출되지 않던 TTX가 발효 뒤 남은 쌀겨와 사케 지게미에서 검출된다는 것을 알아냈다.

TTX는 산성과 중성 환경에서는 잘 용해되고 안정적이지만 염기성 환경에서는 용해도가 낮아지고 불안정해지는 성질을 가졌다.

실험 중 시간이 지나며 젓갈이 서서히 알칼리화 되는 것이 관찰되었는데, TTX가 염기성에 약한 만큼 화학적 요인에 의해 분해되는 것으로 생각되었다.

따라서 고바야시 교수는 8년의 연구 끝에 TTX가 미생물의 관여 없이 화학적 방식으로 제거되었다고 결론지었다[3].

그렇게 이후로 십여년 간 복어독의 생물학적 분해에 관한 연구는 진전되지 않았다.

-유산균의 일종인 Lactococcus lactis의 현미경 상 모습

*유산균은 단일 종을 가리키지 않으며 목 단위에서 정의되는 광의의 생물군(푸른색)임에 유의

그러나 그 동안 다른 분야에서 유산균에 대한 연구는 많이 이루어지고 있었다.

-유산균(LAB, Lactic acid bacteria)의 다양한 독소 저감 능력

유산균은 프로바이오틱스의 효과로 식품영양학에서 많은 주목을 받고 있었고, 그 와중 체내 및 토양 독소 저감에 대한 연구도 진행되고 있었다.

-EPS를 분비하는 박테리아들

유산균은 주변 포식자나 환경변화에 대응해 세포 외 다당류Exopolysaccharide(EPS)라는 끈적한 물질을 분비해 자신을 보호한다.

그런데 이 물질이 여러 병원균이나 독소에 대해 저감 능력을 가진다는 보고가 이어지고 있었다.

그 중 곰팡이가 만들어내는 독소(mycotoxin)를 EPS 흡착의 방식으로 제거한다는 연구도 있었다.

그런데 이 흡착 제거 메커니즘은 2003년에 내려진 화학적 분해를 반박할 수 있는 새로운 가설이기도 했다.

유산균 자체가 TTX를 분해하는 것이 아니고, 난소에 있던 TTX를 흡착해 쌀겨와 사케 지게미로 떨쳐 낸다면 전혀 해당 연구 결과와 배치되지 않는다는 것이다.

-가운데 위치한 EPS가 구리를 통해 TTX와 결합하는 구조도

이에 2018년 베트남 연구진들은 유산균 EPS의 TTX 흡착 여부에 대해 실험해 보았다[4].

그 결과 실제로 EPS와 TTX의 화학적 결합이 관찰되었고, TTX만 주입한 쥐보다 EPS를 같이 주입한 쥐가 더 오래 살아남는다는 결과가 나왔다.

다만 유의미한 효과를 위해 흡착력을 강화하려면 산화구리가 필요했는데, 산화구리는 인체 독성이 있기 때문에 실제 해독제로 쓰기에는 아직 부족했다.

그러자 2022년 이탈리아 연구진들이 이 실험을 참고해 조금 다른 방향의 실험을 수행했다[5].

EPS가 유독성 산화구리를 필요로 해서 실용화하기 어렵다면, 박테리아 자체의 흡착 효과를 증명해 보자는 접근이었다.

-해당 연구의 실험 방법

고바야시 박사의 연구에서는 세포를 별도로 분리하지 않고 배지 전체에 존재한 TTX의 양을 전후 비교해 차이가 없기에 미생물이 제거에 영향을 끼치지 않는다고 판단했다.

그러나 이 실험에서는 유산균을 포함한 여러 박테리아들을 각각 TTX를 포함한 배양액에 배양한 뒤, 원심분리를 통한 세포 침전을 통해 박테리아와 상측액을 분리해 냈다.

그리고 세포침전부와 상층액에 존재하는 TTX양을 백분율로 비교하는 방식으로 접근했다.

세포 침전부에 TTX가 존재하고, 그 비율이 상층액과 더했을 때 100%에 가깝게 나온다면 박테리아가 TTX를 흡착할 수 있음이 증명될 것이었다.

실제 결과도 그와 같이 나왔고, 비로소 TTX 제거 방식이 분해가 아닌 흡착이란 사실이 증명되었다.

연구팀은 여기에 더해 또다른 사실을 알아내었다.

실험에 사용된 균주 중 살아있는 상태로 TTX를 흡착하는 박테리아들은 유산균을 포함해 모두 그람 양성에 속하고,

그람 음성 박테리아들은 살아있는 상태에서는 흡착하지 못하며 분해되어 죽은 상태에서만 흡착이 가능하다는 것이었다.

-그람 양성과 그람 음성 박테리아의 세포벽 구조 비교

대부분의 박테리아들은 세포벽 구조에 따라 특정 염색범을 처리할 경우 두 색으로 나뉘어 염색된다.

이 중 보라색을 띠면 그람 양성, 분홍색을 띠면 그람 음성 박테리아로 구분된다.

그람 양성 박테리아들은 두꺼운 단일 세포벽 외부에 펩티도글리칸(PG)층이 존재하고, 그람 음성 박테리아들은 외막과 내막 사이에 존재한다.

즉 둘의 차이점은 펩티도글리칸의 위치이다.

여기서 그람 양성 박테리아는 살아있을 때도 흡착이 되고 그람 음성은 세포벽이 분해되어 죽었을 때만 흡착 효과가 보인다면, TTX는 펩티도글리칸과 특이적으로 흡착된다는 가설을 세울 수 있게 된다.

이에 2024년 중국의 연구팀이 이 가설을 검증하기 위한 실험을 진행하였다[6].

-실험에 사용된 3종의 유산균의 상태별 TTX 감소율

※유산균 EF( E. faecalis ) / N115( L. plantarum)/ I3(L. coryniformis)

연구진들은 3종의 유산균을 사용해 각각 모두 활성화 상태,(activated) 비활성화 상태(inactivated), 세포벽만 추출해 조각낸 상태(fragment)로 나누어 제거 효과를 실험해 보았다

그 결과 실험에 사용된 모든 유산균의 모든 상태에서 약 40% 이상의 TTX제거 효과가 나타났으며, 비활성화 상태에서 최대 83.67%의 가장 높은 제거 효율을 보였다

특이할 점으로 비활성화 상태가 활성화 상태보다 제거 효과가 좋았는데 그 이유로는

1.대사 활동이 아닌 세포벽과의 결합으로 제거

2.TTX는 유산균이 영양소로 이용할 수 없으므로 세포막의 선택적 투과에 의해 걸러짐

3.비활성화된 상태의 순수 세포벽 성분에 흡착되는 것

이 세 이유로 추측되었다.

또한 각 유산균들의 PG결합 구조가 모두 달랐는데, 이것이 각 균주별로 제거율에 차이를 보이는 이유로 추정했다.

-PG 결합부위 차단에 따른 TTX 제거율 비교

※PG-MA: 아미노기 결합 차단 / PG-MC: 카복실기 결합 차단

이 연구에선 한 발 더 나아가 원리를 추정하는 실험까지 진행했다.

광학 분석 결과 PG의 카복실기와 아미노기의 결합을 차단할 경우 TTX흡착력이 눈에 띄게 감소하는 것이 관찰되었다

따라서 상호 흡착 원리는 정전기적 인력인 것으로 추정되었다.

-PG와 TTX의 흡착 원리 예상도

PG의 카복실기(-COOH)가 TTX의 구아니딘기와 결합하거나, PG의 아미노기와 TTX의 하이드록실기가 결합하여 흡착된다는 것이다.

이제 유산균의 PG가 TTX 흡착에 큰 역할을 한다는 것이 증명되었으니, 남은 건 구체적인 흡착 메커니즘을 밝히는 것이 된다.

곧이은 2025년 동일 연구팀이 진행한 연구에서 드디어 구체적인 메커니즘을 밝혀 내는 것에 성공한다[7].

연구팀은 PG와 TTX 간의 흡착 및 탈착 과정이 소수성 상호작용 및 반데르발스 힘에 의한 물리적 결합과 수소결합을 통한 화학적 결합이 동시에 관여하는 복잡한 메커니즘임을 증명해 냈다.

또한 온도, 시간, PG 처리량을 나누어 분석해  37C, 1시간, PG 5mg 처리시 85% 이상, 최대 92%의 흡착 효율을 보인다는 것을 알아내었다.

이로서 30년에 걸친 TTX의 생물학적 제거 메커니즘 연구는 가파른 진전을 이루었으며, 향후 실용화 연구로 접어들 수 있는 충분한 과학적 근간이 마련되었다.

-군산시의 향토음식인 복어알젓

또한 상기 연구들은 일본의 복어알젓의 TTX 제거 메커니즘에 대해 이루어진 것으로, 군산 등 다른 지방에서 먹는 복어 발효식품에 대한 연구로 확장될 경우 차이점이나 새로운 메커니즘 발견 등 확대될 여지도 남아 있다.

-국가간 연구 협력 네트워크를 웹 형태로 나타낸 그림[8]

1995년 첫 연구를 시작한 고바야시 교수는 8년의 연구 끝에 자신의 가설이 틀렸다고 생각하며 연구를 그만두었다.

그러나 다른 분야에서 연구가 진행되며 십여 년의 세월 뒤에 해당 연구 결과에 대해 다시 해석해 볼 수 있는 여지가 생겼다.

이후 장장 30년이란 세월과 여러 과학자들 간 국경을 오가는 연구가 쌓인 끝에 TTX의 생물학적 제거 방식 탐구라는 연구주제는 성공으로 밝혀졌다.

세상에는 다양한 연구 주제들이 있다.

우주개발이나 난치병 연구와 같은 국가 규모로 어마어마한 돈과 시간을 들이는 연구들은 매일 뉴스기사에 오르내리며 사람들의 주목을 받는다.

그에 비하면 이런 연구는 사소해 보일지도 모른다.

하지만 계속된 노력과 실패 끝에도 결국 누군가 계속 연구를 이어받으며 오랜 세월이 걸려 결국 가설을 증명했다는 것에서, '연구'의 본질을 잘 나타내 주는 교과서적인 사례가 아닐까?

*위 내용은 오류가 있을 수 있으며 자세하고 정확한 내용은 아래 참고문헌 참조

1.Katikou, P., Gokbulut, C., Kosker, A. R., Campàs, M., & Ozogul, F. (2022). An Updated Review of Tetrodotoxin and Its Peculiarities. Marine drugs, 20(1), 47.

2.Takeshi Kobayashi, Masayo Okuzumi, Teteo Fujii, Microflora of Fermented Puffer Fish Ovaries in Rice-Bran “Fugunoko Nukazuke”, Fisheries science, 1995, Volume 61, Issue 2, Pages 291-295

3. 小林武志, 木村凡, & 藤井建夫. (2003). フグ卵巣ぬか漬けの微生物によるフグ毒分解の検討.  日本水産 学会 誌,  69(5), 782-786.

4.Tu, N. H. K., Dat, N. V., Canh, L. V., & Vinh, D. T. T. (2018). Detection of the Potential Inactivation of Tetrodotoxin by Lactic Acid Bacterial Exopolysaccharide. Toxins, 10(7), 288.

5.Francesco Martelli, Martina Cirlini, Luca Dellafiora, Erasmo Neviani, Chiara Dall’Asta, Valentina Bernini, Mitigation of marine toxins by interactions with bacteria: The case of okadaic acid and tetrodotoxin, Food Control, Volume 131, 2022

6.Chang Liu, Jingqin Ye, Chang'e Wang, Hengliang Wang, Ying Lu, Lactic acid bacteria reduce the toxicity of tetrodotoxin through peptidoglycan mediated binding, Aquaculture and Fisheries, 2024,

7.Wang, C., Miao, J., Liu, C., Guo, Y., Zhang, L., & Lu, Y. (2025). Adsorption kinetics between tetrodotoxin and peptidoglycan derived from lactic acid bacteria. International journal of biological macromolecules, 322(Pt 1), 146586.

8. Gui, Q., Xu, W., Jiang, S., Yu, Z., & Guo, W. (2025). Unpacking the dynamics of international research collaboration network: structural effects and dyadic effects.  Technology in Society, 102954.