[사이언스타임즈] 슈퍼박테리아 내성 획득 기작 풀려

인류와 세균과의 전쟁은 어떻게 하면 치명적인 세균을 박멸하느냐로 요약할 수 있다. 이 세균과의 전쟁에서 ‘슈퍼박테리아(superbug)’는 매우 다루기 힘든 적이다.

▲ 항생제 치료를 무용지물로 만드는 내성 획득은 심각한 문제를 야기하고 있다 ⓒNIH

슈퍼박테리아는 항생제가 말을 듣지 않도록 항생제에 내성을 가진 박테리아로 다양한 항생제를 함께 처방해도 견뎌내기 때문에 슈퍼박테리아라고 불린다. MRSA(Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus)와 같은 박테리아는 전형적인 슈퍼박테리아이다.

슈퍼박테리아의 내성에 대한 연구는 그동안 꾸준히 있어 왔지만 보통의 박테리아가 어떻게 슈퍼박테리아로 진화하는지에 대한 화학적 청사진은 여전히 미스터리였다.

이런 가운데 미국 펜실베이니아 주립대 연구팀이 세계 최초로 이에 대한 비밀을 규명했다. 과학계는 향후 슈퍼박테리아 박멸에 새로운 전환이 마련될 것으로 기대하고 있다.

박테리아 내성 획득의 화학적 청사진 제시

미국 펜실베이니아 주립대 생화학과 스퀴르 부커(Squire Booker) 연구팀은 최근에 진화한 슈퍼박테리아가 만든 단백질에서 연구의 실마리를 찾았다. 부커 교수는 “수년 전 유전학 연구에서 Staphylococcus sciuri 균이 ‘cfr’ 이라고 불리는 새로운 유전자를 진화시켰다는 점이 밝혀졌다”고 설명했다.

Staphylococcus는 포도구균이며 Staphylococcus sciuri 균은 포도구균의 하나이다. Staphylococcus sciuri 균은 인간에게 병을 유발하는 균은 아니다. cfr 유전자가 만드는 단백질은 박테리아가 항생제에 내성을 갖는 과정에서 중요한 역할을 담당하는 것으로 밝혀졌다.

이후 cfr 유전자는 Staphylococcus의 또 다른 균인 Staphylococcus aureus에서도 존재하는 것으로 나타났다. Staphylococcus aureus 균은 인간의 코와 피부에 사는 매우 흔한 박테리아의 하나로 현재 많은 항생제에 내성을 야기하는 세균으로 지목받고 있다.

cfr 유전자는 서로 다른 균 사이의 장벽을 넘어 쉽사리 유전자를 이동할 수 있는 DNA 구조를 띠고 있다. 때문에 cfr 유전자는 인간을 감염하는 다른 종류의 박테리아로도 쉽게 옮겨 다닐 수 있다.

부커 교수는 “Staphylococcus aureus 균의 이 유전자가 미국, 멕시코, 브라질, 스페인, 이태리, 이일랜드에서 발견됐으며 7종류의 항생제에 모두 내성을 갖도록 박테리아를 변화시켰다”고 설명했다. 그는 “이 유전자를 갖고 있는 박테리아는 분명히 독특한 진화적 장점을 누리고 있는 것”이라고 덧붙였다.

하지만 현재까지 이 유전자가 만드는 단백질이 어떻게 박테리아가 내성을 띠도록 하는지에 대한 기작은 분명히 밝혀지지 않았다. 즉 분자 수준에서 항생제 내성 획득과정에 어떤 일이 진행되고 있는 지에 대한 구체적인 정보는 부재한 상황인 셈이다.

Cfr 메틸화 효소의 메틸화 기작에 주목

슈퍼박테리아의 내성비밀을 풀기 위해 연구팀은 Cfr 단백질이 어떻게 메틸화(methylation)를 진행하는지에 주목했다. 메틸화는 뉴클레오티드의 특정 부분에 효소가 메틸기를 부착하는 과정이다. 메틸화와 같이 특정 화학기를 뉴틀레오티드에 붙이는 것을 ‘분자 표지(molecular tag)’라고 부른다. 뉴클레오티드는 DAN와 RNA를 구성하는 기본 구조 단위를 일컫는다.

메틸화는 대사과정, 세포 내 신호전달, 후성유전학 등에서 매우 중요한 역할을 담당한다. 메틸기가 특정 부분에 있고 없고에 따라 세포 내에서 특정분자의 역할이 확연히 달라지기 때문이다. 메틸화는 SAM(S-adenosylmethionine) 의존 메틸화 효소(methyltransferases)가 거의 대부분 진행하는 것으로 알려졌다.

RlmN이라고 불리는 메틸화 효소 단백질이 메틸화를 진행하면 박테리아의 리보솜의 기능이 촉진된다. 리보솜은 세포 내에서 단백질을 합성하는 핵심적인 역할을 하는 거대분자이다. 리보솜이 생체 내에서 단백질 합성의 중추적인 역할을 하기 때문에 리보솜이 제 기능을 하는 것과 하지 못하는 것은 생명현상에 매우 치명적으로 작용한다.

현존 항생제의 절반 이상은 리보솜의 기능을 붕괴함으로써 항생기능을 수행한다. 즉 항생제가 박테리아의 리보솜 결합해 리보솜의 기능을 저해하고 결과적으로 단백질 합성에 실패한 박테리아는 결국 죽게 된다.

RlmN 과 Cfr은 SAM 의존 메틸화 효소의 하나로 라디컬 SMA(RS)라고도 불린다. Cfr 단백질은 RlmN 단백질과 정확히 똑같은 기능을 수행하지만 한 가지 다른 점이 있다. Cfr 단백질은 RlmN 단백질과 똑같은 뉴클레오티드를 대상으로 메틸화를 진행하지만 메틸화의 위치는 서로 다르다.

▲ 왼쪽 RlmN은 C-2 탄소(푸른색)만 메틸화시키지만, 오른쪽 Cfr은 C-2,(푸른색) C-8(빨간색) 탄소 모두를 메틸화시킨다 ⓒScience

메틸화가 뉴클레오티드의 어떤 위치에서 일어나는냐에 대한 이같은 차이로 인해 Cfr의 메틸화는 박테리아 리보솜의 기능은 붕괴시키지 않으면서 항생제가 박테리아 리보솜에 달라붙는 것을 막는 역할을 한다. 결과적으로 박테리아는 항생제에 내성을 갖게 되는 것이다.

연구팀은 “RlmN과 Cfr의 메틸화는 다른 분자 지표를 붙이는 것과 화학적으로 다른 방법이다”고 말했다. 부커 교수는 “흥미로운 점은 Cfr 단백질은 완전히 새로운 방법으로 메틸화를 진행한다는 점”이라고 말했다. 그는 “박테리아가 진화하면서 몇 개의 항생제에 내성을 얻은 매우 똑똑한 기작의 아주 정밀한 화학적 청사진을 얻게 됐다”고 덧붙였다.

연구팀은 다음 단계의 연구과제로 내성 획득의 정보를 기존 항생제에 접목한 새로운 항생제의 디자인을 계획하고 있다. 부커 교수는 “우리는 박테리아가 몇몇 그룹의 항생제 기능을 피해가며 내성을 획득하는 기작을 알고 있다”면서 “때문에 어떻게 하면 박테리아의 내성 회득기작을 무너뜨려 일반 항생제로도 항생작용을 나타나게 할 수 있을지에 대한 연구를 시작할 수 있다”고 말했다.

이성규 객원기자 | henry95@daum.net

저작권자 2011.05.03 ⓒ ScienceTimes

- 출처 : 사이언스타임즈
- 관련논문 : A Radically Different Mechanism for S-Adenosylmethionine–Dependent Methyltransferases, Science 29 April 2011:Vol. 332 no. 6029 pp. 604-607.