1. 들어가면서

 

가축 생산에서 바이러스와 병원성균에 의한 감염성 질환은 생산성을 상당히 하락시키고 경제적 손실을 가져오는 큰 어려움이다. 따라서 농장에서는 다양하고 위험한 바이러스와 병원성균을 통제하고 처치하려는 전략에 관심이 많다. 널리 사용되는 방법은 병원성균을 억제하기 위해 사료나 음수를 통해 항균력이 있는 물질의 예방적 사용이다. 지금까지 보면 가장 보편적으로 사용되는 것은 항생제인데, 항생제 내생균의 등장으로 미국에서는 FDA에 의하여 수의약품 사용지침(VFD)이 더욱 강화되고 있다.

 

이렇게 더 현명한 항생제 사용이 되도록 정비되고 있다. 예를 들면 항바이러스 제제로 개발된 아만타딘이 가축 농장에서 질병 예방적 목적으로 사용되었는데 이 약품에 대한 내성종의 증가로 이어졌다. 또한 포름알데하이드 같은 물질도 바이러스와 세균 억제용으로 사용되었는데 발암성 문제로 인하여 사료 원료로 사용이 금지되었다. 이처럼 바이러스와 세균에 대하여 광범위하게 억제 효과가 있고, 안전하며, 내성이 없는 물질에 찾으려는 노력이 있다.

 

이러한 점을 고려할 때 한 가지 이상적인 방법은 병원성 바이러스와 세균의 지질 외막을 타깃으로 하는 것이며, 최근 인체 대상 항바이러스 약물 분야에서 생리적 환경 속 병원성균의 외막을 목표로 성과를 보인다. 따라서 이러한 물질을 동물 분야에서 적용하려는 전략은 상당한 의미를 지닐 것으로 보인다. 천연 항균 지질 성분인 중쇄모노글리서라이드(MCMG, medium-chain monoglycerides)은 양돈과 양계산업에서 직면한 병원성균을 통제하기 위한 유망한 선택지로 대두되고 있으며, 차단방역과 동물건강에 관해 어떻게 기여될 수 있을지 연구되고 있다. 최근 연구는 사료 내에서 바이러스 경감과 같은 특별한 요구와 세균감염 하에서 가축 건강을 개선하는 목적으로 진행되고 있다.

 

2. 모노글리서라이드 구조 및 기능

 

중쇄모노글리서라이드(MCMG)는 탄소 6~12의 포화지방산인 중쇄지방산에서 파생된다. MCMG는 에스터화 생성물이며, 글리세롤 한 분자의 비이온성 머리 부분을 갖고 있는데, 이는 pH에 안정하고 수용성 환경에서 강건한 기능을 보인다. 반면 중쇄지방산(MCFA, Medium Chain Fatty Acid)은 카르복실산 머리 부분을 갖는데 pH 5 이상에서 보통 음전하를 띠며 이러한 이온화 상태는 pH 조건에 민감하다.

 

중쇄모노글리서라이드(MCMG)의 생물학적으로 중요한 활성 구조는 미셀이다. 이것은 독립적인 분자들의 자가 집합 구조이며, 임계미셀농도(CMC, Critical Micelle Concentration)는 그것의 특이한 혼합물에 따라 다르다. 보통 더 긴 탄소 체인을 갖는 MCMG가 짧은 탄소 체인을 갖는 것보다 더 낮은 임계미셀농도(CMC)를 보이는데, 이는 더 강한 소수성 작용이 자가 집합을 촉진하기 때문이다. MCMG의 비이온성 특징으로 분자간 정정기적 반발하는 음이온성 MCFA보다 더 낮은 농도에서 미셀을 형성하게 한다.

 

작용기전 측면에서 볼 때 MCMG는 외막 파괴 성질이 있으며, 더 넓은 범위에서 외막이 있는 바이러스 및 세균을 억제할 수 있다. 이는 임계미셀농도점이나 그 이상에서 발생한다. 지방산이나 MCMG는 주로 그들의 임계미셀농도점(CMC) 이상에서 외막 파괴 특성을 보인다. 따라서 물질의 역가를 나타내는 중요한 결정요소이다. 반면 지방산 단량체 형태에서는 외막 파괴 특성이 현저히 낮은 활성화 또는 비활성화된다.

 

 

세균 대상 실험에서 MCMG 처리로 세균외막 파괴 특성과 세균성장 억제가 관찰되었다. 이러한 항박테리아 활성과 연관된 작용기전은 막투과성과 용해성을 증가시키고, 전자전달계, 산화적 인산화, 그리고 효소작용 같은 세균의 막 관련 기능을 방해한다. 다시 말하면 막투과성이 증가한 후 이온이 빠져나오고 세포 외부와 내부의 화학적 균형이 깨져 세균이 파괴된다.

 

MCMG는 또한 외막이 있는 바이러스를 억제하는데 외막의 용해를 주요 작용으로 한다. MCMG는 양돈과 양계에서 문제가 되는 넓은 범위의 병원성 세균을 억제하는 것으로 보고되고 있다. 이는 대장균(Escherichia coli), 연쇄상구균(Streptococcus suis), 살모넬라균(Salmonella), 리스테리아균(Listeria monocytogenes), 클로스트리듐 퍼프린젼스균(Clostridium Perfringens), 그리고 감수성 있는 바이러스에는 조류인플루엔자(Avian Influenza virus), 전염성 기관지염(Infectious Bronchitis virus), 뉴캐슬(Newcastle disease virus), 아프리카돼지열병(African Swine Fever virus), PRRS(Porcine Reproductive Respiratory Syndrome virus), PED(Porcine Epidemic Diarrhea virus)가 있다.

 

이러한 병원성균들은 모두 지질 외막으로 둘러싸여 있다. 작용기전 연구에 따르면 카프릭산(C10), 라우릭산(C12)이 낮은 임계미셀농도(CMC)로 인해 특히 높은 항균력을 보였다. 이는 단쇄모노글리서라이드보다 낮은 임계미셀농도에서 미셸 형성에 더욱 활성을 보인다.

 

항생제와 비교 시 축산농가에서 감염성 질병에 대하여 중쇄모노글리서라이드(MCMG)를 적용할 때 두 가지 이점이 있다. ①중쇄모노글리서라이드(MCMG)는 바이러스와 세균 둘 다에 대하여 광범위 항균력을 보이지만, 반면 항생제는 세균에만 적용된다. ②병원성균이 MCMG에 내성을 갖기 어렵다. 따라서 한정적 사용을 넘어 다양한 적용이 가능하다. MCMG는 MCFA보다 더 강력하며, 부득이 사용하는 포름알데하이드 등 물질의 위험성 문제에서 안전하다.

 

3. 생물학적 이용성에 대한 고려

 

공급 측면에서 MCMG는 코코넛오일이나 곤충 유래 오일 같이 다양한 천연원료에서 얻어질 수 있다. 그러나 그것들은 주로 중성지방 형태로 보통 항균력을 갖고 있지 않으며, 활성 있는 MCMG를 얻기 위해선 효소적 분해 과정이 필요하다. 장관 내에서 MCMG는 지방분해 효소에 의해 분해될 수도 있다. 하지만 이러한 특성은 해당 분자구조의 입체 화학적 측면에서 각기 다르며, 사실 MCMG는 포유류의 모유 속의 복잡한 생물학적 구조 속에서 손상 없이 존재한다. 그러므로 항균 작용이 필요한 수용성 또는 사료 내 혼합물 속에서 작용하는 것이다. 현재 항균력을 목적으로 하는 MCMG의 가장 보편적이고 효과적인 사용법은 사료 내 투여 방법이다.

 

4. 적용 연구

 

(1) 양돈사료 내 바이러스 매개의 예방

사료는 양돈 생산에서 병원성균의 매개에 대한 벡터로서 확인되고 있다. 이러한 세균과 바이러스의 감염 매개를 차단하기 위해 화학적 경감제가 탐구되고 있다. 오랫동안 사용해온 방법 중 하나는 포름알데하이드를 사용하는 것이다. 그러나 이런 방법은 그 위해성으로 인해 국가별로 점차 사용이 중단되고 있다. 그래서 가장 유망하게 연구되어온 것이 세균막 파괴 특성이 있는 중쇄지방산(MCFA)이다. 이런 측면에서 중쇄모노글리서라이드(MCMG)가 더 역가가 높다고 할 수 있으며, 여러 연구에서 양돈사료 내 MCMG의 적용 연구가 지속해서 진행되고 있다.

 

한 연구에서 ASFV에 대한 글리세린모노라우린(GML, glyceride monolaurin)의 항바이러스 In vitro 실험이 각기 다른 중쇄지방산(MCFA)들과 같이 비교 실시되었고 GML이 가장 우수한 항바이러스 효력을 보였다. 특히 GML은 사료 내에서 ASFV를 억제하였는데 용량이 증가함에 따라 바이러스 감염 정도를 낮추었다. 바이러스 외막을 파괴하는 기전은 바이러스 외피 단백질의 구조변형을 가져왔다.

 

바이러스 외피 단백질의 구조적 안정성은 외피막의 강건성에 달려있고, 이러한 외피막의 구조변형은 단백질 구조화의 손실 및 형태와 기능의 소실을 초래한다. 흥미롭게도 GML은 사료 내 바이러스 감염력을 낮추었다. 이 실험은 GML이 외피막으로 둘러싼 ASFV의 외피막을 직접적으로 손상함으로써 항바이러스 효력을 보이고 있음을 알 수 있다.

 

MCMG의 양돈 질병에 대한 평가 모델링에 대한 관심이 많다. 인기 있는 모델링은 ‘Ice-block’ 접종 모델인데 PRRS, 세네카바이러스A, 그리고 PEDV의 Ice 샘플로 사료를 오염시키기 위해 확산하고 녹게 하여 접종하는 것이다. 이후 돼지가 바이러스에 오염된 사료섭취를 한 후 성장성적, 임상증상, 바이러스학적 감염증상을 확인한다. 사료에는 효능평가를 위해 후보물질이 혼합되고 이것을 평가한다. 이러한 방법으로 MCMG가 사료 내 바이러스 감염 억제가 확인되었고 감염에 따른 임상증상과 폐사율이 개선되었다. 고수준의 MCMG 첨가 시 일당증체(ADG)는 물론 편도선, 혈장, 그리고 직장스왑 측정에서 바이러스 감소가 있었다.

 

In vitro 실험에서 1,500~3,500ppm 첨가 수준의 MCMG 혼합물은 사료 내 PED 감염전파를 감소시켰는데, 동시에 ‘Ice-block’ 접종 모델에서도 유사한 결과를 보였다. 반면 중쇄지방산(MCFA) 혼합물 실험에서는 10,000ppm 첨가 수준에서만 효과가 나타났다. 더불어 포름알데하이드와 같은 수준의 MCMG 첨가 비교실험을 통해 볼 때, MCMG는 포름알데하이드를 대체할 수 있는 유용한 선택물질임을 고려할 수 있다.

 

최근 MCMG는 양돈 질병 항바이러스 실험과 그 가능성뿐만 아니라 병원성균의 확산을 억제하는 것에 관한 연구도 활발하다. 보고에 의하면 GML은 포도상구균과 연쇄상구균과 같은 그람양성균을 억제하였고, C8, C10 등 중쇄모노글리서라이드(MCMG)는 흉막폐렴균, 살모넬라 티피뮤리움, 그리고 대장균과 같은 그람음성균에 효과를 보였다.

 

 

(2) 양계에서 괴사성장염 감염 경감

괴사성장염(NE, Netrotic enteritis)은 그람양성균인 클로스트리디움 퍼프린젼스(CP, Clostridium perfringens) 균의 원인으로 유발되는 심각한 양계 질병이다. 보통 2~5주 사이 육계에서 갑작스러운 폐사와 공장과 회장 내 전체적인 염증을 유발한다. 최근 항생제 사용의 감소, 질병에 취약하게 하는 콕시듐증 예방을 위한 콕시듐 백신의 사용증가와 더불어 괴사성장염(NE)의 발병이 많아지고 있다. NE를 컨트롤하기 위한 MCMG 혼합물의 평가가 Gharib-Naseri 등에 의해 연구되었다. 9일령에 콕시듐원충의 경구감염과 이후 14~15일령 클리스트리디움 퍼프린젼스(CP) 경구감염 실험에서 처리구의 육계 폐사율이 줄고 전 일령 FCR의 유의적 개선 효과를 보였다.

 

따라서 MCMG 혼합물은 NE 감염에 대한 적절한 대응이 되고 있다. 추가적인 분석에서 MCMG 혼합물은 맹장 미생물 균총을 변화시켰는데, 성장과 사료효율을 개선하는 Bacillus 균과 같은 유익 미생물에 대한 긍정적인 효과를 끌어냈다. 이것은 C. perfingens 균의 감소가 없을 경우에도 장내 유익 미생물을 조절하여 면역기능을 도와준다는 것을 보인다.

 

콕시듐원충과 C. perfingens 경구감염 조건 아래 또 다른 실험에서 0.5% MCMG가 포함된 전기사료를 급여한 육계에서 폐사율은 대조군 대비 유의적 감소가 있었다. 더불어 공장 내 밀착연접 관련 유전자 발현 수준과 면역글로불린 G의 함량이 증가하였다. 이는 장의 강건성과 면역에 각각 중요한 단백질이다. 괴사성장염 감염하에서 장 상피세포는 손상을 입고 면역반응의 저하를 가져오며 장관 전반에 걸쳐 영양소의 흡수불량 문제가 발생한다.

 

MCMG 급여구의 공장 내 밀착연접 단백질과 면역글로불린의 증가는 C. perfingens 감염 이전 초기 콕시듐증 감염에 대응할 수 있는 장관 내 방어기전의 개선을 의미하며, 이로 인해 더 많은 에너지와 영양소 공급이 가능해졌다고 할 수 있다. 괴사성장염(NE)의 부정적인 영향을 줄이는 것과 더불어 NE를 예방할 수 있어야 하는데, Tosi 등은 단쇄모노글리서라이드와 중쇄모노글리서라이드의 혼합물을 전·후기 육계사료에 0.5%, 0.25% 급여함으로써 NE를 차단하였다. 또한 육계사료에 0.3% 급여 시 살모넬라 군락의 감소를 보고하였다. 종합하여 보면 이와 같은 결과는 MCMG 혼합물이 양계에서 NE 관련된 병원균의 감염 시 그 효과를 보인다는 것이다.

 

(3) 미생물 조절기능

MCMG의 최근 적용 중의 하나는 장내 미생물총 조절기능이다. MCMG의 항균성 특징으로 병원성균을 억제하여 건강한 가축 생산에 기여하는데, 양돈을 대상으로 하는 실험에서 1,000mg/kg GML의 급여로 이유자돈의 설사 개선과 함께 장내 미생물군총이 조절되었다. 맹장 내용물의 미생물 분석을 통해 GML 급여로 증체에 긍정적인 영향을 주는 퍼미큐티스(Firmicutes), 락토바실러스(Lactobacillus), 블라우티아(Blautia species) 균은 증가하였고, 반면 유해 미생물인 박테리오도타(Bacteriodota), 캄필로박테리오타(Campilobacterota species)는 억제되었다.

 

MCMG가 양계에서도 장내 미생물총의 조절에 영향을 미친다는 최근의 실험들이 많다. 산란계 사료에서 300mg/kg의 GML과 C10 모노글리서라이드 혼합물에서 맹장 내 유해 세균인 프로테오박테리아(Proteobacteria)의 증식을 억제하고 유익 미생물의 우점을 도왔다. 유사하게 300~1,200mg/kg GML의 육계 급여실험에서 유익균의 우점이 관찰되었다. 또한 1,200mg/kg GML 급여 시 LPL 감염실험에서 장내 손상이 감소하였다. 분명하게도 MCMG 급여로 인한 항산화 및 항염증과 관련된 장내 미생물총의 조절은 장 환경을 긍정적으로 바꾸었으며 더불어 직접적으로 세균과 바이러스를 억제함을 보여준다.

 

5. 마치며

 

가축 생산에서 세균과 바이러스에 대한 억제력 있는 물질에 관한 연구는 지속해서 진행되고 있다. 이러한 과정 중에 중쇄모노글리서라이드(MCMG)의 상당한 수준의 항균 및 항바이러스 효과와 함께 장내 유익 미생물 조절기능의 발견은 큰 의미가 있으며, 이것이 동물 생산에 있어 크게 이바지할 것으로 생각한다.

 

■ 자료(논문) 출처

Antimicrobial monoglycerides for swine and poultry applications, Joshua A. Jackman at al. Front. Anim. Sci., 2022.

 

 

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