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크리스퍼 유전자가위/편집기술을 이용한 항생제 내성균 사멸기술

◇ 크리스퍼(CRISPR-Cas13a) 기반 유전자가위/편집기술을 활용하여 항생제 내성균을 사멸시키는 기술은 항생제 내성균 출현이 필연적인 기존의 항생물질(antimicrobials)의 한계를 뛰어넘어 새로운 항생기술로써 항생제 내성균 문제를 해결하는 데에 기여할 것으로 기대

▸주요 출처 : Nature Communications, Development of CRISPR-Cas13a-based antimicrobials capable of sequence-specific killing of target bacteria, 2020.6.10

□ 기존 항생제로 사멸되지 않는 항생제 내성균을 CRISPR-Cas13a 기반 유전자가위로 항생제 내성 유전자를 절단하는 방식의 항생기술 (squence-specific antimicrobial technique) 개발

○ CDC 보고서에 따르면 매년 미국에서 280만명 이상의 항생제 내성균 감염 환자 발생, 이중 3만 5천명 이상이 사망

- UN 보고서에서는 2050년경에는 항생제 내성균 감염으로 인한 사망자가 1,000만명에 이를 것으로 보고

- 세균 감염병의 유일한 치료제인 항생제는 지난 45년간 그람 음성균 (Gram-negative strain)에 대한 새로운 계열의 항생제 개발이 전무한 상태

○ 최근 Nature Communications에 유전자가위/편집기술을 활용하여 항생제 내성균의 문제를 극복할 수 있는 연구결과가 발표

- CRISPR-Cas13a는 type VI class 2의 CRISPR-Cas 시스템으로, RNA 가이드를 통해 항생제 내성균의 관련 유전자를 인식하고, 이를 절단하여 내성균의 증식을 방해하는 시스템

- 기존의 Cas9 매개 DNA 절단 방식보다 Cas13a를 이용한 Non-specific RNA 절단 방식이 항생제 내성균 사멸에 높은 효율을 보이는 것으로 확인

< CRISPR-Cas13a 주요 장점 및 확인 과정 >

1) Cas9의 경우, 염색체에 삽입된(chromosome-integrated) 항생제 내성 유전자를 절단하여 그 기능을 막는 데에는 효과적이나, 플라스미드 형태(plasmid-borne)로 항생제 내성 유전자가 삽입된 경우에는 사멸 효과를 보이지 않음

2) Cas13a 방식의 경우, 염색체 삽입형, 플라스미드 형태 항생제 내성균 모두에서 사멸 효과를 보임 

3) 이후 세균을 감염시킬 수 있는 M13 박테리오파지 전달체(bacteriophage delivery system)에 본 기술을 탑재하여 항생제 내성균에 감염시킨 후 내성균 사멸 효능 확인

4) 또한 여러 가지 항생제 내성 유전자에 대해서 내성균 사멸 효능을 확인하였고, 곤충(Galleria mellonella) 감염 모델을 이용한 내성균 감염 시 유전자가위의 내성균 사멸 효과 및 모델의 생존 능력을 확인

○ 아래의 그림은 M13 박테리오파지 전달체에 CRISPR-Cas13a 유전자가위 기술이 탑재되어 세균 사멸을 일으키는 과정을 나타냄

- 항생제 내성 유전자(blaIMP-1) 부위로 유전자가위를 가이드하는 guide RNA를 디자인하고, 이를 Cas13a와 함께 박테리오파지 전달체에 탑재한 후 E.coli 안에 전달

- E.coli 내 항생제 내성 유전자(blaIMP-1)가 있는 경우, Cas13a에 의해서 non- specific RNase가 발현되어 세균 내의 RNA들을 무작위로 절단하여 세균을 사멸에 이르게 함

< Cas13a 유전자가위 매개 항생제 내성균 사멸 과정(항생제 내성 유전자(blaIMP-1) 유(좌), 무(우) >

출처 : Nature Communications, Development of CRISPR-Cas13a-based antimicrobials capable of sequence-specific killing of target bacteria, 2020.6.10

□ 해당 기술을 통해 기존 항생제를 무력화시키는 다양한 내성균의 사멸 및 내성균 감염병 치료가 가능할 것으로 기대

○ 유전자가위/편집기술이라는 혁신기술 융합을 통해 기존 항생제의 문제점 (항생제 내성의 출현 및 전파)을 해결하는 데에 기여

- 해당 논문 외에도 유전자편집기술이 적용된 박테리오파지로 Mycobacteria 감염 치료에 성공한 연구결과 발표(Nature Medicine, 2019.5)

※ 로커스 바이오사이언스(Locus Biosciences)는 CRISPR-Cas3 시스템을 활용해 표적 세균 세포의 DNA를 분해하고 신속히 파괴하는 치료법을 개발 중