[MiriAn] 병원체를 추적하는 유전자조작 박테리아

싱가포르의 난양기술대학 (Nanayang Technological University)의 합성생물학자인 매튜 챙 (Matthew Chang)은 대장균 박테리아에 ‘추적 및 파괴’의 장비를 첨가하여 폐렴과 다른 질병을 일으키는 외부침입 박테리아인 녹농균 (Pseudomonas aeruginosa)을 표적으로 하도록 만들었다. 감염된 실험쥐를 대상으로 한 초기 연구결과에서 이 조작된 박테리아는 죽은 녹농균의 자체를 남겼다. 챙의 연구팀은 이전에 피오신 (pyocin)이라 불리는 항박테리아 펩티드를 조합할 수 있는 대장균을 개발했다. 그리고 그 적이 발산하는 화학적 신호를 감지하자 마자 치명적인 물질을 배출하기 위해서 자신을 폭발시키도록 만들었다 (Saeidi, N. et al. 2011). 현재 이 생명공학적으로 만들어진 일종의 자경단원은 더욱 더 강력해진 모습으로 돌아오게 된 것이다. 

연구자들은 마이크로신(microcin, MccS)이라 불리는 치명적 펩티드를 만들기 위해서 대장균에 유전자를 삽입했다. 이것은 피오신보다 더 작은 형태로 이 대장균은 일종의 자살특공대처럼 폭탄을 적재하고 운반하는 것이 아니라 이 물질을 분비하도록 만들어졌다. 이것은 감염을 치료하는데 필요한 박테리아를 조금만 조작하면 된다는 의미이다. 이 연구팀은 유전자 조작된 박테리아에 유전자를 결합하여 DNase라 불리는 뉴클레아제를 만들었다. 이것은 효율적으로 녹농균을 감싸는 보호막 바이오필름을 통해서 자를 수 있었으며 바이오필름을 함께 결합하는데 도움이 되는 핵산을 분해하여 이 녹농균을 감쌀 수 있었다. 

연구자들은 자신의 대장균을 프로그램하여 그 표적에 가까이 접근할 때까지 분말형태의 건조한 상태로 유지하게 했다. 이 대장균은 침입자 군집의 밀도를 측정하는 쿼럼 센싱 (quorum sensing)이라 불리는 과정을 이용하여 녹농균 메신저 입자를 감지할 수 있게 된다. 각 대장균은 쿼럼 센싱 입자에 결합하는 단백질을 생성하여 이 무기 시스템을 활성화하는 결합체를 형성한다. 이 결합체는 또한 대장균의 움직임을 통제한다. 그래서 이 박테리아는 쿼럼 센싱 입자의 밀도가 높은 곳으로 움직이게 되며 이것은 주화성(chemotaxis)라고 불린다. 이 목표물에 도달하게 되면 대장균은 면역생산을 일으키게 된다. 미국 메릴랜드 대학 컬리지 파크 (University of Maryland in College Park)의 합성생물학자인 윌리엄 벤틀리 (William Bentley)는 “이것이 바로 이번 연구의 핵심이다. 이 연구는 정말로 혁신적”이라고 말했다. 이러한 전술의 일부는 개별적으로 박테리아를 생명공학적으로 조작하는데 사용되어 왔다. 하지만 벤틀리는 “이것들을 모두 결합하는 것은 완전히 새로운 것”이라고 말했다. 이 암살자에 대한 연구결과는 학술지 <ACS Synthetic Biology>지에 발표되었다 (Hwang, I. Y. et al. 2013). 

챙의 연구팀은 그의 현미경 수준의 암살자들을 녹농균에 감염된 실험쥐에 먹였고, 분변 샘플을 취합하였다. 그는 이 동물은 일반적인 대장균을 주었을 때와 비교해서 병원체가 줄어들었다는 사실을 발견했으며 전혀 이 질병에 영향을 받지 않고 있었다. 챙은 “이것은 상당히 유망한 결과”라고 말했다. 하지만 이러한 공학적으로 조작된 박테리아가 인간에게도 사용될 수 있을까? 챙은 “물론 그렇다고 믿는다”고 말했다. 가장 전통적인 항생체 치료는 박테리아를 무차별적으로 죽이며 병원체 미생물과 혜택을 주는 박테리아를 모두 죽인다. 반면에 챙의 대장균은 정밀 타격을 가능케 하고 있다. 

챙은 또한 이 박테리아는 병원체 감염의 위험이 높은 사람들에게도 제공될 수 있다고 주장했다. 이 대장균은 대장에서 동면상태로 있다가 그 적이 나타나면 바로 활성화된다. 챙은 “물론 조작적인 문제가 존재한다. 즉, 이들은 유전자 조작 조직이다. 하지만 궁극적으로 만일 그 안전성과 효율성을 보여준다면, 인간에게도 이 방법이 사용될 수 있을 것이라고 본다”고 말했다. 
벤틀리의 연구팀은 암세포를 찾는 박테리아를 만들기 위해서 유사한 접근법을 사용했다. 그리고 도달하면 화학물질을 터뜨려 배출하는 방법을 연구했다 (Saeidi, N. et al. 2011). 그는 현재 챙과 함께 미국 방첩국 (Defense Threat Reduction Agency)의 지원을 받아 농녹균을 중립화시킬 수 있는 대장균을 만드는 연구를 하고 있다. 벤틀리는 “우리는 박테리아를 표적으로 하는 능력을 얻으려고 하고 있다”고 말했다. 

다른 연구자들은 유사한 시스템에 대한 연구를 하고 있다. 예를 들어, MIT의 론 와이스 (Ron Weiss)의 연구팀은 최근에 녹농균의 동일한 메신저 입자를 찾을 수 있는 대장균을 만들었으며 그 반응으로 항미생물 입자를 전달한다 (Gupta, S., Bram, E. E. & Weiss, R. 2013). 챙은 또한 그의 박테리아의 표적 시스템을 증진시키려고 시도하고 있으며 바이오필름을 통해서 그 능력을 향상시키고 있다. 그는 그의 대장균을 가지고 적이 되는 미생물을 잡아내는 능력을 갖게 했으며 탈출하지 못하게 하려고 하고 있다. 

- 출처: <네이처> 2013년 9월 12일 (Nature doi:10.1038/nature.2013.13727) 
- 원문참조: 

Hwang, I. Y. et al. ACS Synth. Biol. http://dx.doi.org/10.1021/sb400077j (2013). 
Saeidi, N. et al. Mol. Syst. Biol. 7, 521 (2011). 
Gupta, S., Bram, E. E. & Weiss, R. ACS Synth. Biol. http://dx.doi.org/10.1021/sb4000417 (2013) 

http://www.nature.com/news/engineered-bacterium-hunts-down-pathogens-1.13727

"한마디"

세균을 이용하여 다른 세균을 죽일 수 있는 일종의 '토마호크 미사일'을 만드는거군요~ 

잘 사용하면 좋겠지만, 혹시라도 그 미사일이 진화해서 엉뚱한 새로운 질병을 만들수도 있지 않을까 하는 걱정도 생기네요.

어쨋든 이제는 질병 치료도 맞춤형 표적 치료로 발전하는군요.

- 출처: KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-09-16