박테리아의 결합력을 조절하는 방법 개발

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-05
키엘대학교(Kiel University (CAU))와 프랑크푸르트 괴테대(Goethe University Frankfurt)의 연구자들로 이루어진 한 공동연구팀이 대장균 박테리아(E. coli bacteria)의 결합력을 조절할 수 있는 합성 표면재료를 개발하는데 성공했다. 대략 4나노미터 두께의 이 레이어(layer)는 감염이 일어나는 동안에 박테리아가 결합하는 세포의 당 코팅(glycocalyx)과 같은 합성 표면을 만들어낸다. 이 결합 프로세스는 빛에 의해 스위치 온될 수도 오프될 수도 있다. 이러한 사실들은 연구자들이 당(탄수화물)과 박테리아 감염 사이의 관계를 이해하는데 중요한 첫걸음을 내딛었다는 것을 의미한다. 이들의 연구 결과는 저명한 학술지인 Angewandte Chemie지에 게재되었다. 세포와 다른 세포들, 혹은 세포와 표면 사이의 결합은 생명체에 있어서 중요하다. 그러나 이러한 메커니즘은 또한 질병과 감염에 관여하고 있기도 하다. 실험에 이용되는 대장균 박테리아는 요로감염증(urinary tract infections), 뇌수막염(meningitis), 폐혈증(sepsis)과 다른 심각한 질병을 유발할 수 있다. 이러한 질병들을 치료하고 이해하기 위해 연구자들은 박테리아 세포들이 건강한 세포들과 결합하는 분자 기작을 이해할 필요가 있다. 이러한 과정은 단백질들이 복잡한 결합 원리(자물쇠-열쇠 원리, lock-and-key principle)에 의해 탄수화물의 구조와 결합하는 방법에 의해 일어나기도 한다. 이에 키엘대와 프랑크푸르트대의 연구자들이 처음으로 이러한 과정에서 탄수화물 구조의 공간적인 방향(spatial orientation)이 중요하다는 것을 입증해 보였다. 하지만 세포를 덮고 있는 나노미터 두께의 다당류인 자연적인 당 표면과 비교해, 단백질과 탄수화물이 서로 어떻게 상호작용하는지를 밝히는 것은 매우 어렵다. 이를 해결하고자 키엘대의 화학자인 Thisbe K. Lindhorst와 그녀의 연구팀은 서로 다른 파장의 빛이 조사될 때, 생물학적인 스위치로 작용할 수 있는 분자들을 만들어내는데 성공했다. 프랑크푸르트대의 표면화학 전문가인 Andreas Terfort 교수의 연구팀과 함께, Lindhorst의 연구팀은 당의 결합 위치로 배열되어 있는 시스템을 개발해 박테리아의 결합이 이루어질 수 있게 만들었다. 이를 위해 연구자들은 정확하게 정제된 당 커버를 지닌 박막 금속 표면을 만들어 이를 아조벤젠(azobenzene)과 결합시켰다. 이것은 빛에 의해 결합이 조절되는 질소 브릿지(nitrogen bridge)를 함유한 탄화수소이다. 당 코팅의 결합 속성은 다음과 같은 방법에 의해 조절될 수 있다. 만약 연구자들이 365나노미터의 파장을 지닌 빛을 자신들의 시스템에 조사하면 병원성 박테리아 세포들이 표면에 결합하게 된다. 하지만 450나노미터의 파장을 지닌 빛을 조사하면 박테리아 세포는 재배열을 통해 떨어져 나가게 된다. 이러한 방법으로 대장균 박테리아의 결합이 조절될 수 있다. 이에 대해 Terfort는 "고체 표면에 레이어 시스템을 적용함으로써 실제 당 표면의 복잡한 동역학성이 줄어들어 이에 대한 보다 자세한 연구가 가능하다. 이러한 방식을 다른 생물학적 레이어 시스템에 적용하는 것이 가능하다"고 말했다. 또한 Lindhorst 역시 "우리의 모델 시스템에 기반해 당 표면의 인지와 결합 효과는 완전히 새로운 각도로 재정의될 수 있다. 만약 우리가 건강과 이를 치료하는 것 사이에서 당 표면의 영향이 어떤 지를 배울 수 있다면 의화학 분야에 혁명을 이끌 수 있을 것"이라고 말했다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 ["Switching of bacterial adhesion to a glycosylated surface by reversible reorientation of the carbohydrate ligand." Theresa Weber, Vijayanand Chandrasekaran, Insa Stamer, Mikkel B. Thygesen, Andreas Terfort and Thisbe K. Lindhorst. Angew. Chem. 48/2014 DOI: 10.1002/ange.201409808 and 10.1002/anie.201409808 (Angew. Chem. Int. Ed.)]를 참고하기 바란다. 그림1: 대장균 박테리아가 합성 당 표면의 당 분자들에 결합하는 모습 그림2: 빛에 의해 대장균 박테리아가 합성 당 표면에 결합하고 떨어지는 메커니즘 그림3: 대장균의 전자주사현미경 사진 C2.jpg C22.jpg C222.jpg http://phys.org/news/2014-12-adhesion-coli-bacteria.html