바이오인

지난달 세계 보건기구는 전세계의 항생제 저항성 확산을 경고하고, 세균 감염의 위험성을 다시금 상기시키는 동시에 새롭고 보다 효과적인 항생제 개발을 위한 하나로 조화된 노력이 필요하다는 보고서를 발표했다. 항생제 저항성 발생 문제에 있어서는 메티실린 저항성 황색 포도상구균(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus: MRSA)과 같은 슈퍼 세균의 전세계 확산이 특히 관심을 모으고 있다. 이번에 PLOS Pathogens 최신호에 발표된 논문에서는 이러한 세계 보건기구의 요구를 충족시키기 위한 새로운 형태의 항미생물 펩타이드를 보여주고 있다. 이 펩타이드는 여러 위험한 세균이 형성시키는 바이오 필름(biofilm)을 간섭하는 새로운 형태의 항미생물 물질이라고 한다. 

바이오필름이란 미국 몬타나주립대학 바이오필름공학센터장인 J. W. Costerton 교수가 1970년대 후반에 제창한 개념으로, 세균 등이 분비하는 점성물질의 내부에 복수의 세균이 공존하는 환경을 말한다. 바이오 필름에서는 정상적으로는 공존할 수 없는 여러 종류의 세균이 서식하며 영양공급이나 노폐물의 배출을 담당하는 수로까지 갖추어져 있다는 사실이 밝혀진 바 있다. 바이오 필름을 형성하고 있는 감염은 여러 가지 항생제에 대해 내성을 갖는 다제내성을 나타내는 경우가 많다. 여러 세균들이 사람의 피부, 폐, 심장 방광을 포함하여 표면에서 증식할 때에도 대부분 바이오 필름을 형성한다고 한다. 또한 사람에 대한 세균들의 감염 중 65%가 바이오 필름에 의해서 유발되며, 이러한 형태를 취하고 있는 세균들은 표준 항생제에 대한 저항성이 10~1000배나 커진다고 한다. 

지금까지 허가된 항생제 중에서 세균의 바이오 필름을 특이적으로 표적으로 삼는 약물은 없다고 한다. 때문에 이번 연구를 주도한 캐나다 브리티쉬 컬럼비아대학의 Bob Hancock 박사는 세균의 바이오 필름을 저해하는 항미생물 물질의 연구에 매진해왔다고 한다. 이번 연구의 핵심은 여러 다양한 세균들의 바이오 필름을 억제하는 "1018"이라는 펩타이드 물질의 발견이다. 이 물질은 자유롭게 헤엄치는 세균의 플랑크톤식 성장에는 영향을 끼치지 않는 농도에서도 Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli, Salmonella Typhimurium, Burkholderia cenocepacia MRSA(methicillin resistant Staphylococcus aureus)를 포함하여 주요 병원성 그람 양성균과 그람 음성균의 바이오 필름 형성을 막고, 이미 형성된 바이오 필름도 제거하는 효과를 나타냈다고 한다. 

1018 펩타이드는 낮은 농도에서는 바이오 필름을 붕괴시켰으며, 고농도에서는 바이오 필름의 세균들을 사멸시키는 효과를 보였다고 한다. 또한 1018 펩타이드는 여러 다른 종류의 세균들에게 공통적인 효과를 냈기 때문에 연구팀은 작용 기작을 밝히는 연구를 진행하게 되었다고 한다. 여기서 연구팀은 1018 펩타이드가 표적인 세균들의 공통적인 스트레스 반응을 저해하고, RelA와 SpoT 효소를 통한 (p)ppGpp라는 특정 매개체의 합성을 통한 긴박 스트레스 반응(stringent stress response)을 막음으로써 바이오 필름 형성을 차단하는 것이라는 가설을 세웠다. 이러한 가설과 일치하게 serine hydroxamate를 추가하거나 relA를 과다 발현시켜서 증가한 (p)ppGpp는 펩타이드에 대한 감수성이 감소했다고 한다. 더하여 (p)ppGpp 생산이 차단되도록 주요 세균들의 relA와 spoT를 돌연변이시키면 바이오 필름의 형성이 감소하였다고 한다. 

또한 세균에서 바이오 필름이 형성 및 성장하고 2일 후에 (p)ppGpp의 발현을 제거하면 바이오 필름의 결실이 확인되었다고 한다. 연구팀이 시험한 이 세균은 유전체의 relA의 뒤에 arabinose 유도 프로모터를 삽입시켰다고 한다. 그 결과로 세균 배양 배지에서 arabinose를 포함시키지 않으면 (p)ppGpp가 발현되지 않는다고 한다. 연구팀의 NMR 및 크로마토그래피 시험에서도 1018 펩타이드가 세균에 작용하여 30분 만에 (p)ppGpp 분해를 촉진시키는 것으로 나타났다. 또한 시험관 시험에서도 1018 펩타이드는 (p)ppGpp과 직접적인 상호 작용을 보였다고 한다. 

이번에 연구팀은 1018 펩타이드가 (p)ppGpp과 직접 및 특이적으로 상호작용하여 매개자의 분해를 촉발시킴으로써 바이오 필름의 형성과 유지에서의 역할을 막는 것을 입증했다. 연구팀은 “이번에 제시된 전략은 세균의 바이오 필름의 특이적으로 표적으로 삼는 새로운 약제에 대한 연구에서 큰 발전을 이루고 있다. 이번 연구에 기초한 추가적인 연구가 보다 효과적인 바이오 필름 억제 효과를 갖는 신규한 활성 펩타이드 개발의 길을 열어줄 것”이라고 밝혔다. 

그림설명: 1018 펩타이드가 처리된 Pseudomonas aeruginosa와 MRSA의 바이오 필름 감소 효과 

Journal Reference: Cesar de la Fuente-Nunez, Fany Reffuveille, Evan F. Haney, Suzana K. Straus, Robert E. W. Hancock. Broad-Spectrum Anti-biofilm Peptide That Targets a Cellular Stress Response. PLoS Pathogens, 2014; 10 (5): e1004152 DOI: 10.1371/journal.ppat.1004152