시아노톡신

남세균(cyanobacteria)이 생산하는 독소를 말하며 마이크로시스틴(microcystin), 노둘라린(nodularin), 실린드로스퍼몹신(Cylindrospermopsin), 아나톡신(Anatoxin), 삭시톡신(Saxitoxin), 링비아톡신-a (lynbyatoxin-a), 아플리시아톡신(aplysiatoxin), BMAA (β-Methylamino-L-alanine) 등이 있다. 독성 조류 대발생에 의해 생성된 시아노톡신은 야생동물과 가축의 폐사의 중요한 원인이며 상수도 오염의 잠재적 원인으로 이러한 독소 및 이를 생성하는 남세균의 이해는 이들을 제어하는데 도움을 준다.

목차

남세균(cyanobacteria)은 35억년전부터 지구상에 존재해 왔으며 현재 지구상의 거의 모든 육상 및 수생태계에 다양한 남세균들이 살아가고 있다. 이들은 이차대사산물로 매우 다양한 생리활성물질들을 만들어 내며 그 중에 시아노톡신(cyanotoxin)과 같은 독소도 포함된다. 남세균은 인류의 활동과 기후 변화 등으로 해양이나 호소에 높은 농도로 자라 적조나 녹조와 같은 독성조류대발생(harmful algal bloom)을 일으키는 원인이 되고 있다. 높은 농도로 자란 남세균에 의해 생성된 시아노톡신은 야생동물과 가축의 식중독으로 인한 폐사의 중요한 원인이며 상수도 오염의 잠재적 원인이다. 

마이크로시스틴의 구조. 7개의 아미노산으로 구성되어 있으며 Adda 아미노산은 5번 위치에 있는 것을 볼 수 있다.(출처: )

노둘라린의 구조. 5개의 아미노산으로 구성되어 있으며 Adda 아미노산은 4번 위치에 있는 것을 볼 수 있다. (출처: )

마이크로시스틴(microcystin)은 마이크로시스티스(Microcystis)와 플랑크토스릭스(Planktothrix)와 도리코스퍼뮴(Dolichospermum^(a)) 등에 의해서 만들어진다[(a) 과거에는 아나베나(''Anabaena'') 속으로 알려졌으나 새로운 속으로 바뀜]. 마이크로시스틴은 7개의 아미노산으로 이루어진 고리형 구조를 가지고 있다¹⁾. 2번과 4번 아미노산의 종류에 따라서 종류가 달라지며 5번의 3-amino-9-methoxy-2,6,8-trimethyl-10-phenyldeca-4,6-dienoic acid (Adda)이 독성에 중요한 역할을 한다. Adda는 단백질 인산화 효소를 강력하게 저해하며 간독성을 일으킨다¹⁾. 마이크로시스틴과 실린드로스퍼뫂신은 간독성을 가지고 있으며 중독 증상으로는 복통, 구토, 설사, 간의 염증과 출혈, 급성 폐렴, 급성 피부염, 신장손상, 잠재적인 종양 생장 촉진 등이 나타난다²⁾. 생합성 유전자는 mcy (microcystin synthetase) 유전자무리(gene cluster)에 있으며 마이크로시스티스와 플랑크토스릭스와 도리코스퍼뮴 등에서 모두 발견되었다. 이 유전자무리에 있는 비리보좀 펩타이드 합성효소[nonribosomal peptide synthetase (NRPS)] 및 폴리케타이드 합성효소[polyketide synthase (PKS)] 등에 의해서 합성된다¹⁾.

노둘라린(nodularin)은 노둘라리아 스푸미게나(Nodularia spumigena)에 의해서 생성이 된다. 노둘라린은 마이크로시스틴과 비슷하지만 5개의 아미노산으로 이루어져 있는 고리형 구조를 가진다. Adda 아미노산의 변이에 따라서 독성이 달라지며 독성이 감소하거나 없어지기도 한다. 노둘라리아 스푸미게나(Nodularia spumigena)에 존재하는 ndaS 유전자무리가 알려져 있으며 마이크로시스틴과 비슷한 생합성 경로를 가진 것으로 알려져 있으며 중독 증상 또한 비슷한 것으로 알려져 있다¹⁾.

아래는 실린드로스퍼몹신과 아나톡신와 삭시토신(Saxitoxin)의 일반적인 구조 그림으로 각각 R의 위치의 치환기에 따라 각각의 종류가 달라진다.

실린드로스퍼몹신(Cylindrospermopsin)의 일반적인 구조 (출처: )

아나톡신의 일반적인 구조 (출처: )

Saxitoxin의 일반적인 구조 (출처: )

실린드로스퍼몹신(Cylindrospermopsin)은 실린드로스퍼몹시스 라시보르스키아이(Cylindrospermopsis raciborskii), 아파니조메논 오발리스포룸[''Aphanizomenon'' ''ovalisporum;'' 현재는 크리소스포룸(''Chrisosporum'') 속으로 바뀜], 아파니조메논 플로사키아에(Aphanizomenon flosaquae), 아나베나 라포니카(Anabaena. lapponica), 라피디오프시스 쿠르바타(Raphidiopsis curvata), 우메자키아 나탄스(Umezakia natans), 링비아 월레이(Lyngbya wollei) 등이 만드는 것으로 보고 되었다. 실린드로스퍼몹신의 구조는 tricyclic guanidine 기와 hydroxymethyl uracil이 결합된 tricyclic alkaloid이다. 실린드로스퍼몹신은 물에 잘 녹아, 세포 밖으로 용해되어 나오며, 물 속에서 일정부분 분해되기는 하나 한달 이상 지속될 수 있다. 끓는 물(100도에서 5분간)에서도 분해되지 않으나 염소 소독으로 효과적으로 분해되는 것으로 알려져 있다¹⁾. 15개의 유전자를 포함하는 cyr 유전자무리가 밝혀졌으며 다른 실린드로스퍼몹신 생산 남세균에도 비슷한 유전자무리가 발견되었다. 

아나톡신(Anatoxin)은 돌리코스퍼뮴 플로사퀴아에(Dolichospermum flosaquae), 타이코네마 보우렐리아이(Tychonema bourrellyi), 아파니조메논(Aphanizomenon.), 포르미디움(Phormidium), 오실라토리아(Oscillatoria) 속 등에서 발견되었다. 아나톡신-a는 secondary amine bicyclic alkaloid 구조를 가지고 있다¹⁾. 중독이 되었을 때는 아린감, 화끈거림, 무감각, 졸림, 헛소리, 타액분비, 호흡마비를 통한 사망 등의 증상이 나타난다²⁾. 이러한 증상은 마비성패류중독(paralytic shellfish poisoning (PSP)) 증상으로 알려져 있다. 아나톡신-a를 생합성하는 유전자무리가 밝혀졌으며 이는 polyketide synthases family에 속하는 다기능 효소들이 관여하는 것으로 알려졌다²⁾. 

삭시톡신(Saxitoxin)의 경우 실린드로스퍼몹시스 라시보르스키아이(Cylindrospermopsis raciborskii), 게이틀리네마 암피비움(Geitlerinema amphibium), 게이틀리네마 레메르마니아이(Geitlerinema lemmermannii), 실린드로스퍼몹시스 스타그날레(Cylindrospermum stagnale), 포르미디움 운시나툼(Phormidium uncinatum), 링비아 월레이(Lyngbya wollei), 아나베나 시르시날리스(Anabaena circinalis) 등에서 발견되었다. 삭시톡신의 경우에는 자연적으로 생성되는 알칼로이드로 몇몇 해양 와편모조류(dinoflagellate)와 담수 남세균에서 발견되며 치환기의 종류에 따라서 30여종 이상이 알려져 있다¹⁾. 실린드로스퍼뫂시스 라시보르스키아이(Cylindrospermopsis raciborskii)의 유전체 서열이 밝혀진 후로 삭시톡신을 생합성하는 데 관련된 10여 종 이상의 유전자들이 알려져 있다³⁾. 중독이 되었을 경우 아나톡신과 비슷한 마비성패류중독 증상을 보인다.

링비아톡신-a (lynbyatoxin-a), 아플리시아톡신(aplysiatoxin), BMAA (β-Methylamino-L-alanine) 등과 남세균의 지질다당류(Lipopolysaccharides) 또한 남세균이 내는 독소로 알려져 있다.

대부분의 시아노톡신은 자연상태에서 세포질 안에 존재하며 조류가 대발생한 경우에도 물이 오염되지 않는다. 하지만 대량 번식한 세포들이 죽거나 세포들이 포식자에게 섭취되게 되면 식중독을 일으킬 수 있다. 다른 독소와 다르게 실린드로스퍼몹신의 경우 자연적으로 절반가량은 세포 밖으로 나가 물을 오염시키는 특성을 가지고 있다. 이런 경우에는 점토나 유기물에 흡착되어 제거가 더 어려운 문제를 일으킬 수 있다²⁾.

남세균이나 시아노톡신이 지표수에서 검출이 되는 경우 처리장에서 이를 제거하거나 불활성화시켜야 한다. 이들을 제거하기 위해서 효율적인 처리를 위해서는 검출된 시아노톡신 뿐만 아니라 관련된 남세균의 생장 양식과 종에 대한 이해가 있어야 하며, 적절한 처리 방법이 사용되어야 한다. 적절하지 않는 처리방식은 세포를 파괴하여 오히려 시아노톡신의 배출하게 될 수 있다²⁾.

남세균(cyanobacteria), 독성조류대발생(harmful algal bloom), 적조, 녹조, 마이크로시스틴(microcystin), 유전자무리(gene cluster), 마비성패류중독(paralytic shellfish poisoning; PSP), 와편모조류(dinoflagellate)

김경호/부경대학교

조장천/인하대학교

1. Buratti, F.M., Manganelli, M., Vichi, S., Stefanelli, M., Scardala, S., Testai, E., and Funari, E. 2017. Cyanotoxins: producing organisms, occurrence, toxicity, mechanism of action and human health toxicological risk evaluation. Arch. Toxicol. 91, 1049–1130.
2. USEPA. 2014. Cyanobacteria and Cyanotoxins: Information for Drinking Water Systems. EPA810F11001. Available: .
3. Pearson, L.A., Mihali, T.K., Moffitt, M.C., Kellmann, R., and Neilan, B.A. 2010. On the chemistry, toxicology and genetics of the cyanobacterial toxins, microcystin, nodularin, saxitoxin and cylindrospermopsin. Mar. Drugs 8, 1650–1680.