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[교수님 인터뷰] 서울대학교 약학대학 제약학과 이봉진 교수 (2022.05.09)

2023-05-05
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  • 신개념 항생제 개발의 토대를 다지다 항생제 내성 슈퍼박테리아 박멸할 원리 규명


슈퍼박테리아의 출현으로 병원균의 내성 문제가 심각한 이슈로 떠올랐다. 하지만 대부분의 신규 항생제들은 슈퍼박테리아에 취약하고, 개발 중인 항생제들은 그람 음성 병원균이 주 표적이기 때문에 그람 양성균인 내성 포도상구균에 대한 신규 항생제 개발이 시급하다. 

서울대학교 이봉진 교수 연구팀은 이러한 내성 문제를 해결하기 위해 병원균에 내재한 독소 단백질의 제어를 방해하면 세포 자살을 유도할 수 있다는 사실에 집중했다. 연구결과 독소 단백질 PemK와 항독소 단백질 PemI의 결합을 방해하는 물질을 설계할 수 있는 삼차원 구조정보를 밝혀냈고, 이로써 병원균들이 스스로 자멸하게 유도할 수 있는 신개념 항생제 설계의 실마리를 제시했다.

새로운 독소-항독소 단백질의 삼차원 구조 해석

현재 전 인류는 코로나 팬데믹을 겪으면서 바이러스로 유래한 거대한 위험을 실감하고 있다. 

한편, 더 큰 위협이 될 수 있는 병원균에 의한 사망자 수가 증가하고 있으나, 이에 따른 항생제 개발은 매우 느린 상황이다. 특히 기존 항생제로 죽일 수 없는 슈퍼박테리아에 의한 사망자 수는 2017년에는 70만 명(WHO 보고서) 이상으로 알려졌는데 그 수는 해마다 급증하고 있다. 


국내의 경우 2019년 기준 슈퍼박테리아 감염자는 9,000명이며, 이 중 40%인 3,600명이 사망했다. 세계보건기구(WHO)는 2050년 슈퍼박테리아로 인한 사망자 수를 1,000만 명 이상으로 예측한다. 

따라서 국가 보건 문제를 대비하기 위한 새로운 항생제 개발은 매우 시급한 실정이다. 


하지만 현재 개발 중인 신규 항생제들은 그람 음성 병원균이 주 표적 대상이므로, 사망률이 매우 높은 패혈증 등을 일으키는 그람 양성균인 메티실린 내성 포도상구균(MRSA)이나 세균학상 그람 음성균이 아닌 다제내성 결핵균(MDR TB)에 대한 신규 항생제 개발이 필요하다.

 

이에 연구팀은 새로운 독소-항독소 단백질의 삼차원 구조를 규명 및 해석해 독성 활성화를 통한 병원균 사멸 유도 원리를 밝혀냄으로써 슈퍼박테리아를 박멸할 수 있는 새로운 항생제 개발의 토대를 마련하고자 했다.  

“독소-항독소 시스템은 사람과 같은 진핵생물이 아닌 병원성균과 같은 원핵생물에만 존재합니다. 이와 함께 병원균에 내재한 독소 단백질의 제어를 방해하면 세포 자살을 유도할 수 있다는 사실에서 힌트를 얻었습니다. 

이러한 점들에 착안해 기존 항생제와는 완전히 다른 신규 항생제 개발이 가능할 것으로 예측했고, 포도상구균 유래 제2유형의 독소-항독소 단백질인 PemK-PemI의 연구를 진행하게 되었습니다.”


연구팀은 포도상구균 유래의 독소 단백질 PemK와 항독소 단백질 PemI에 대해 결정화 테스트 및 최적화 작업을 수행했다. 이를 통해 고품질의 결정을 성장시킨 후 포항방사광가속기의 X-선을 이용해 두 종류의 단백질(독소 단백질과 독소-항독소 결합단백질)의 삼차원 구조를 해석했다. 


확보한 단백질 구조들을 비교, 분석해 독소 단백질의 효소활성화 부위 및 항독소 단백질의 기능을 밝히고자 돌연변이법(Mutagenesis)을 이용해 다양한 돌연변이 단백질을 생산한 뒤 효소활성화 분석법으로 독소 단백질의 활성에 중요한 아미노산(Amino acids) 정보를 밝혀냈다. 


또한 독소 단백질의 구조변화를 세밀히 분석하기 위해 핵자기공명법(NMR) 및 시뮬레이션분석법(MD simulation)을 활용해 수용액 상태에서의 단백질 구조 변화를 관찰하고 예측했다. 

이를 토대로 독소 단백질이 항독소 단백질과 결합할 때 구조 변화가 갖는 의미를 분석함으로써 열림 형태/닫힘 형태의 독소 단백질의 특징과 항독소 단백질과의 결합 부위를 밝혔다. 


“독소-항독소의 작용기전 규명에 있어서 PemK-PemI의 복합체 구조 규명은 필수적이었지만 결정화가 쉽지 않았고, 독소 단백질의 단독 구조만으로는 독소-항독소 시스템의 작용기전을 예측하기는 어려웠습니다. 

다양한 시도를 해오던 중 단백질 엔지니어링기법을 활용해 독소 단백질에 결합하는 부분 위주로 된 항독소 절편을 만들어 결합시킨 후 복합체 구조를 규명할 수 있었습니다.”


(이하중략)