국내 연구진이 패혈증을 일으키는 포도상구균 외 폐렴막대균, 탄저균, 결핵균의 자살 유도 작용을 밝혀 새로운 항생제 개발에 대한 단서를 제공하였다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 이봉진 교수(서울대학교), 이상재 박사(포항가속기연구소), 김도희 교수(제주대학교), 강성민 교수(덕성여자대학교) 공동 연구팀이 새로운 독소-항독소 단백질의 삼차원 구조를 규명 및 해석하여 독소 활성화를 통한 병원균 사멸 유도 원리를 확인했으며, 이를 통해 항생제 내성 슈퍼박테리아를 박멸할 수 있는 차세대 약물 설계의 실마리를 제공했다고 밝혔다.
최근 포도상구균, 결핵균 등의 내성 문제를 극복할 수 있는 항생제 개발은 전 세계적으로 정체된 실정이다. 2020년 세계보건기구(WHO) 보고에 따르면 대부분의 신규 항생제들은 슈퍼박테리아에 취약하며, 새로 개발된 항생제들은 그람 음성 병원균을 주 대상으로 개발되었다. 따라서, 패혈증을 일으키는 항생제 내성 포도상구균이나 다제 항생제 내성 결핵균에 대한 신규 항생제의 개발이 시급한 실정이다.
연구팀은 그람 양성균인 포도상구균 유래의 독소단백질인 PemK와 독소-항독소 결합체 단백질인 PemIK의 삼차원 구조를 X선-결정학법을 이용하여 해석에 성공하였다.
※ X선-결정학법 : X선 회절을 이용하여 단백질 원자 배열을 분석하는 방법
이 과정에서 항독소단백질 PemI가 독소단백질 PemK의 일부 구조를 모방하는 독특한 작용을 이용하여 상호 결합함을 관찰하였다.
또한, 생물리학 분석을 시행하여 독소단백질의 활성화 부위를 확인, 활성 유지를 통해 병원균의 전령알엔에이(mRNA)를 분해하는 것을 밝혔다.
※ 전령알엔에이(mRNA) : 단백질을 합성하는 유전정보가 담긴 핵산류
이에 두 단백질의 강제적인 결합 방해를 통해 독소단백질 PemK가 지속적인 독소 활성능을 나타내게 함으로서 포도상구균, 폐렴막대균, 탄저균, 결핵균을 사멸시킬 수 있다고 밝혔다.
본 연구 결과를 통해 두 단백질 PemK와 PemI의 결합을 방해하는 물질을 설계할 수 있는 삼차원 구조정보를 밝혔으며, 병원균들이 스스로 자멸하게 유도할 수 있는 신개념 항생제 설계의 토대를 제시하였다.
이봉진 교수는 “본 연구팀의 결과물을 활용하여 구조기반 약물 설계법을 이용한 빠른 약물 개발을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 슈퍼박테리아 중 빠른 대처가 필요한 메티실린 내성 황색포도상구균 뿐만 아니라 폐렴막대균, 탄저균, 결핵균에 대처할 수 있는 약물 설계의 실마리가 될 것”이라고 밝혔다.
※ 구조기반 약물설계법(Structure-based drug discovery) : 단백질 구조정보를 이용하여 신약 설계의 실마리를 찾아 약물을 찾는 방법
연구팀은 전 세계에서 5개국만 보유하고 있는 포항 4세대 방사광가속기를 활용하여 실온 상태의 약물 결합 단백질 연구와 항생제 개발을 병행할 계획이다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(기본연구 및 중견연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘뉴클레익 액시드 리서치(Nucleic Acids Research)’에 2월 10일 게재되었다.
