한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 생물자원센터 이준 박사 연구팀은 바닷속 미생물이 언제 더 강한 독성을 가지게 되는지를 규명하며, 해양 안전 관리의 새로운 기준을 제시했다.

바다에는 눈에 보이지 않는 작은 미생물들이 살아가고 있으며, 이 가운데 일부는 패류독소라는 강한 독을 만들어낸다. 이 독소는 조개류 등에 축적되어 사람이 섭취할 경우 신경 마비를 일으키는 등 심각한 중독을 유발할 수 있어 전 세계적으로 중요한 환경·보건 문제로 꼽힌다.

지금까지는 이러한 미생물이 얼마나 많이 존재하는지(개체 수)를 기준으로 위험도를 판단하는 경우가 많았다. 현재 해양 안전관리는 해수 중 유해조류의 개체 수(세포 밀도)를 기준으로 경보 발령 및 채취 제한 조치를 결정하는 방식으로 운영되고 있다. 그러나 같은 수의 미생물이 존재하더라도 실제 독성은 크게 달라질 수 있어 보다 정밀한 위험 예측에는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 의문을 해결하기 위해 해양 미생물인 ‘센트로디늄(Centrodinium punctatum)’을 대상으로 약 30일 동안 성장 과정을 추적하며 독소 변화를 정밀 분석했다. 그 결과, 배양 기간에 따라 세포의 성장 과정을 3단계(Stage 1~3, 초기·중기·후기)로 구분할 수 있으며, 각 단계마다 생성되는 독소의 종류와 강도가 뚜렷하게 달라진다는 사실을 확인했다. 초기에는 비교적 약한 독소가 주로 생성되지만, 성장 후반 단계로 갈수록 매우 강한 독소가 급격히 늘어나며, 전체적인 독성은 초기보다 약 5배 이상 중가하는 것으로 나타났다.

이번 연구에서 주목할 점은 독소 생성이 단순히 시간이 흐르며 쌓이는 것이 아니라, 미생물 세포의 성장 단계(발달 단계)에 따라 조절된다는 사실을 과학적으로 밝혀낸 것이다. 연구팀은 세포의 크기와 형태가 변하는 특정 발달 단계에서 독소를 만드는 유전자 활동이 집중적으로 일어난다는 점을 규명했다. 이는 미생물이 단순히 존재하는 것보다 어떤 성장 단계에 있느냐가 독성 위험도를 결정짓는 핵심 요소임을 의미한다.

이러한 결과는 앞으로의 해양 환경 관리 방식에도 중요한 변화를 시사한다. 지금까지는 미생물의 수를 기준으로 위험도를 판단해 왔지만, 앞으로는 해당 미생물의 성장 단계까지 함께 고려해야 보다 정확한 독성 예측이 가능하다는 것이다. 특히 독성이 급격히 증가하는 시점을 사전에 파악할 수 있는 과학적 근거를 제시했다는 점에서 의미가 있다.

이번 연구는 유해조류 발생 예측과 해산물 안전 관리, 해양 생태계 보호 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 개체 수 중심 관리에 성장 단계 정보를 결합함으로써 유해조류 위험도 평가의 정밀도를 높이고 적조 대응 시기 판단 등 현장 대응을 보다 과학적으로 고도화하는 데 기여할 수 있을 것으로 보인다.

연구책임자인 이준 박사는 “이번 연구는 해양 미생물이 단순히 양적으로 늘어날 때가 아니라, 질적으로 성숙해지는 시기에 더 위험해진다는 것을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다”며, “앞으로는 생물의 성장 단계를 반영한 새로운 관리 기준을 통해 해산물 안전과 해양 생태계 보호에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 환경 분야의 세계적인 저널인 Journal of Hazardous Materials (IF 11.3) 2026년 3월 15일자 게재되었으며, (논문명 : Temporal dynamics of cellular differentiation and paralytic shellfish toxin diversification in Centrodinium punctatum / 교신저자 : 이준 박사) 과기정통부 미생물중앙은행육성사업, 기후부 환경기술개발사업과 생명연 주요사업의 지원을 받아 수행되었다.

연구결과개요

□ 연구내용
○ 기존의 유해조류 모니터링은 주로 바닷물 속 미생물의 개체 수(세포 밀도)를 측정하여 위험도를 평가해 왔다. 그러나 동일한 개체 수라도 시기에 따라 실제 독성 강도가 크게 달라지는 현상이 빈번하게 관찰되어, 보다 정밀한 독성 예측 모델의 필요성이 대두되었다.
○ 이에 연구팀은 전 세계적으로 분포하는 패류독소 생산 미생물인 Centrodinium punctatum을 모델로 삼아, 미생물의 성장 단계(세포 분화)와 독소 생산 사이의 숨겨진 연결고리를 분자 및 세포 수준에서 규명하고자 하였다.

□ 연구성과의 의미
○ 본 연구는 해양 미생물의 독소 생산이 단순한 시간적 축적이 아니라, 세포의 발달 단계와 형태적 분화에 따라 정교하게 켜지고 꺼지는 '발달 조절(Developmental regulation)' 과정임을 명확히 입증했다.
○ 특히, 미생물의 개체 수가 줄어드는 쇠퇴기(Stage 3)라 하더라도, 세포가 고독성 상태로 분화했다면 실제 해양 생태계와 인간에게 미치는 독성 위험은 오히려 최고조에 달할 수 있음을 경고한다. 이는 기존의 단순 개체 수 기반 모니터링이 실제 위험을 과소평가할 수 있음을 시사한다.
○ 연구팀은 세포의 크기 증가(50μm 이상)나 엽록체 형광 감소와 같은 형태적 변화가 독성 증가를 알리는 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 있음을 확인했다. 이는 향후 영상 기반의 자동화된 해양 모니터링 시스템에 적용되어, 적조 및 패류독소 피해를 사전에 막는 혁신적인 조기 경보 시스템 구축에 기여할 것으로 기대된다.

1. 패류독소 (Paralytic Shellfish Toxins, PSTs)
◦ 해양 미세조류(주로 와편모조류)가 생산하는 강력한 신경독소 군으로 조개류나 굴 등에 축적된다. 사람이 섭취할 경우 마비성 패류독성(PSP)을 유발하며, 호흡 마비 등 심각한 신경계 이상을 일으킬 수 있다. 매우 높은 독성을 지닌 대표적인 해양 생물독소로 알려져 있다.

2. 센트로디니움 푼크타툼 (Centrodinium punctatum)
◦ 바다에 서식하는 단세포 미생물로, ‘와편모류’라고 불리는 플랑크톤의 일종이다. 이 미생물은 일부 조건에서 패류독소(마비성 패류독소)를 생성해 해양 생물과 사람에게 영향을 줄 수 있으며, 전 세계 해양에 널리 분포하는 종이다. 최근 독소 생성 능력이 확인되면서 관리 필요성이 제기되고 있으며, 특히 세포의 성장 단계에 따라 독소의 종류와 강도가 달라지는 특징을 보인다.

3. 이삭시톡신 (Saxitoxin, STX) 및 유사체 (Analogs)
◦ 삭시톡신(STX)은 패류독소 군의 대표 화합물이며, 다양한 효소 반응(예: 황산화, 수산화)에 의해 여러 유사체(예: GTX 계열 등)가 생성된다. 이러한 유사체들은 서로 다른 독성을 가지며 일부는 STX보다 높은 독성을 나타낼 수 있다. STX와 그 유사체는 전압개폐성 나트륨 채널을 차단하여 신경 자극 전달을 억제하고 마비를 유발하는 것으로 알려져 있다. 또한 유사체 간의 구조적 차이는 나트륨 채널에 대한 결합 친화도 차이를 유발하여 독성의 강도 차이에 영향을 미친다.

4. 세포 분화 (Cellular differentiation) 및 형태적 변화
◦ 세포가 성장하면서 단순한 분열을 넘어 크기, 형태, 내부 구조, 대사 기능이 특화되는 과정을 말한다. 본 연구에서는 미생물이 배양 후반부로 갈수록 크기가 50μm 이상으로 커지고, 엽록체 형광이 감소하며, 세포벽이 두꺼워지는 등 형태적·생리적 변화가 나타나며, 이러한 변화는 독소 생산과 관련된 상태로 해석될 수 있다. 이러한 변화는 세포가 성장 정지기(stationary phase)에 진입하면서 대사 전략이 변화한 결과로 나타날 수 있다.

5. 유해조류대발생 (Harmful Algal Blooms, HABs)
◦ 세포가 성장하면서 단순한 분열을 넘어 크기, 형태, 내부 구조, 대사 기능이 특화되는 과정을 말한다. 본 연구에서는 미생물이 배양 후반부로 갈수록 크기가 50μm 이상으로 커지고, 엽록체 형광이 감소하며, 세포벽이 두꺼워지는 등 형태적·생리적 변화가 나타나며, 이러한 변화는 독소 생산과 관련된 상태로 해석될 수 있다. 이러한 변화는 세포가 성장 정지기(stationary phase)에 진입하면서 대사 전략이 변화한 결과로 나타날 수 있다.