자연계의 항생제에 대한 세균의 저항성을 추적

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-23

인체의 내인성 면역계에서 생산되는 항미생물 펩타이드는 효과적이고 광범위한 항미생물 효과를 나타내서 약물 저항성 미생물에 대한 1차 방어선 역할을 한다. 그러나 항미생물 펩타이드에 대해서도 세균의 약물 저항성이 발생하고 있다. 이번에 애리조나주립대학 바이오디자인연구소 산하의 감염증 및 백신학 센터의 Yixin Shi 박사와 Wei Kong 박사는 사람을 포함하여 모든 생명체들이 생산하는 강력한 방어인자인 항미생물 펩타이드로부터 세균이 생존하기 위하여 이용하는 기작을 규명했다. Shi 박사는 항미생물 펩타이드가 다중 약제 내성 세균에 대항하는데 매우 중요하다고 강조했다. 그는 “모든 세균들은 기존 항생제들에 대한 저항성이 발생하게 된다. 그러나 항미생물 펩타이드는 독특한 기능을 보유하고 있다. 이들 물질의 대부분은 세균의 막을 표적으로 삼기 때문에 저항성이 발생하기 어렵다”고 설명했다. 항미생물 펩타이드는 세균의 막에 침습해 들어가서 융합된 후에 막의 누출을 발생시켜서 용균(lysis)이나 세포 파괴를 유발시킨다고 한다. 그러나 이번에 연구팀은 세균들이 항미생물 펩타이드의 효과로부터 자신들을 보호하기 위한 전략을 발전시킨 것을 구체적으로 밝혀냈다. 연구팀이 ‘Journal of Biological Chemistry’ 최신호에 발표한 논문에 따르면, 대장균(E coli)이나 살모넬라(Salmonella)와 같은 병원성 침입자들은 2중 요소 시스템을 이용하여 세포질 내부에서 항미생물 펩타이드를 제거하는 다중약제 펌프의 발현을 촉진시켰다고 한다. 또한 이번 연구에서는 이 2중 요소 시스템의 기능을 차단하면 질병을 유발시키는 세균이 항미생물 펩타이드의 살상 효과의 희생자가 될 수 있음을 가리키고 있다. 이번 연구는 세균의 약물 저항성에 대처하기 위한 새로운 치료제가 필요한 때에 이 강력한 항생제를 임상 적용하는 길을 열어주는데 도움이 될 것이다. 이번 연구에는 동대학 생명과학과의 과학자들 외에도 중국의 Inner Mongolia 대학 생명과학과 Nanjing 대학 약학 생명공학 실험실의 과학자들도 참여했다. 항미생물 펩타이드의 살균 특성은 세균이 많은 연못에서 개구리들이 어떻게 건강하게 살수 있는지를 밝히는 연구에서 확인되었다. 연못에서 개구리의 피부는 항미생물 펩타이드로 덮여있기 때문에 접촉한 세균이 용해됨으로써 개구리는 감염으로부터 보호를 받는다고 한다. 이후 항미생물 펩타이드의 흥미로운 특성을 규명하려는 많은 과학자들이 연구를 진행하게 되었다. 머지않은 미래에 자연계에서 발생하는 항미생물 펩타이드가 기존의 주류 항생제에 저항성을 보유하는 병원체들에 대항하는 새로운 약물의 설계에서 기본 주형으로 이용되게 될 것으로 기대를 모으고 있다. 그러나 이러한 연구에서 가장 큰 장애물은 병원성 세균들이 항미생물 펩타이드에 대항하는 전략을 준비하여 언젠가 반격을 취하는 것이라고 한다. 때문에 Shi 박사의 연구팀은 세균이 항미생물 펩타이드에 대항하기 위하여 자신을 강화시키는 방법을 연구하게 되었다고 한다. 여기서 얻어지는 세균의 저항성 시스템의 정보를 이용하여 세균을 약화시킨다면 항미생물 펩타이드가 보다 큰 효과를 낼 것으로 기대되고 있다. 항미생물 펩타이드는 막과 유사한 생리적 특성을 이용하여 세균의 막을 표적으로 삼는다. 세균은 핵이 결핍된 원핵(prokaryotic) 세포로서 포유류 등을 구성하는 핵을 보유한 진핵(eukaryotic) 세포와 차이가 있다. 특히 세균의 막은 음전하를 띠고 있다는 점에서 양전하를 띠고 있는 진핵 세포의 막과 큰 차이가 있다. 이러한 점에서 숙주 세포에서 생산되는 양전하를 띠고 있는 항미생물 펩타이드는 음전하를 띠고 있는 세균의 막에 강력하게 결합하게 된다. 이들 양전하를 띠고 있는 천연 항생제는 양이온성 항미생물 펩타이드(cationic antimicrobial peptides: CAMP)로 흔히 알려져 있다. Kong 박사는 “항미생물 펩타이드는 세균의 세포에 구멍을 내는 바늘처럼 작용한다”고 설명했다. 여러 CAMP들이 세균뿐만 아니라 기생충, 바이러스, 진균, 다른 침습성 생명체들을 표적으로 삼을 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 세균의 세포도 자신을 보호하기 위하여 몇 가지 전략을 준비하고 있다. 이번 연구에서는 항미생물 펩타이드를 제거하여 살균 효과를 차단하는 세균의 2중 요소 시스템이라는 새로운 전략이 확인되었다. CpxR/CpxA로 표지된 이 2중 요소 시스템은 항미생물 펩타이드에 대항하여 숙주를 감염시키기 위하여 아주 오래 전의 고대의 세균들이 적응을 통하여 발생시킨 것으로 생각되고 있다. 흥미롭게도 연구팀은 병원성 세균이 사람들이 만들어낸 다양한 항생제들을 외부로 유출시키는데 동일한 기작을 이용하고 있는 것도 확인했다. 더하여 2중 요소 시스템은 세균의 자신의 기능을 유지시키는데 여러 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 이러한 예로는 세균의 세포가 자신들의 막 구조를 유지하는데 도움을 주거나 열 충격을 차단하는 것이다. 이번 연구에서는 protamine으로 알려진 특이 CAMP에 대한 대장균의 저항성을 촉진시키는특정 유전자를 찾기 위하여 감수성 유전자좌(genome-wide) 어세이가 이용되었다. 이를 위하여 연구팀은 4000종 이상의 서로 다른 돌연변이를 보유한 대장균 균주를 보유한 세균 라리브러이인 Keio Collection도 이용했다고 한다. 여기서 연구팀은 protamine에 대한 감수성에 영향을 주는 것으로 알려져 있거나 추측되는 유전자에서 결실이 발생한 115종의 대장균 균주를 분리했다. 이중 1종의 대장균에서 protamine에 대하여 높은 감수성을 보이는 외막의 요소를 인코딩하는 유전자 결실이 확인되었다. tolC로 알려진 이 유전자는 대장균이 protamine을 제거하는데 도움을 주는 핵심 요소로 나타났다. 연구팀은 이 새로운 기작이 다중약제 저항성 연쇄반응을 개시시켜서 세균들인 다른 CAMP에 저항성을 가지는데도 핵심 역할을 할 것으로 믿고 있다. 야생형 대장균의 경우에는 protamine 1.0 mg/ml로 처리하면 40%나 생존했지만, tolC 돌연변이 대장균은 돌연변이 대장균은 전부 사멸되었다. 더하여 protamine 0.5mg/ml로 처리했을 때에도 tolC 돌연변이 대장균은 4.4%만 생존했다고 한다. 이번에 확인된 유망한 결과에도 불구하고 이들 독창적인 항생제들을 임상에 적용하기 위해서는 더 많은 연구가 요구되고 있다. 특히 CAMP는 세균막의 음전하 표면을 표적으로 삼기 때문에 숙주의 여러 세포에서도 세포 독성을 유발시킬 수 있다고 한다. 또한 항미생물 펩타이드는 숙주의 단백질 분해효소에 민감하며, 제조 가격이 비싼 문제가 있다. 그러나 세균의 저항성 시스템이 보다 강화되는 반면에 CAMP의 살균 효과를 높여서 보다 저용량에서도 효과를 내고, 정상 세포에 대한 위험을 감소시키고, 제조 비용을 감소시킨 다면 활용 가능성이 더욱 높아질 것이다. CAMP의 세균막에 대한 특이성을 개선시키는 것으로 효과도 더욱 향상시킬 수 있을 것이다. 이번 연구의 결과는 protamine과 같은 항미생물 펩타이드에 대한 세균의 저항성 기작에 대한 중요한 시각을 제시하는 한편으로 이들 시스템을 붕괴시키기 위한 단서를 제공하고 있다. 또한 머지않은 미래에 항미생물 펩타이드는 세균, 진균, 바이러스 드의 여러 병원체를 표적으로 삼는 치료제로 개발될 수 있을 것이다. 더하여 CAMP와 기존 항생제의 병용은 감염성 침입자에 대항하여 상승 효과를 나타내는 새로운 전략도 가능하게 해줄 것이다. Journal Reference: N. Weatherspoon-Griffin, D. Yang, W. Kong, Z. Hua, Y. Shi. The CpxR/CpxA Two-component Regulatory System Up-regulates the Multidrug Resistance Cascade to Facilitate Escherichia coli Resistance to a Model Antimicrobial Peptide. Journal of Biological Chemistry, 2014; 289 (47): 32571 DOI: 10.1074/jbc.M114.565762 yshi.jpg http://www.sciencedaily.com/releases/2014/12/141216154739.htm