‘난공불락’ 내성균, 이제 다중타깃 항균기술로 정복한다 

 홀로토모그래피 기반 박테리아 실시간 이미징을 통한 슈퍼 내성균 치료제 개발 

   KBSI 광주센터-GIST 지역 공동연구 결실, 다학제 화학분야 최상위 학술지 

‘Advanced Science’ 게재

 국내 연구진이 염색 등 전처리 과정 없이 박테리아를 실시간 관찰하고 세포 내 다양한 정량정보를 획득하는 새로운 분석기술로, 슈퍼 내성균의 새로운 치료제 개발전략을 제시했다. 추후 감염병 질환에 대한 세포 수준의 이해는 물론, 병원성 미생물 및 내성균 치료제 개발에 활용될 것으로 기대된다.

한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI)은 광주센터 이성수 박사 연구팀과 광주과학기술원(이하 GIST) 화학과 서지원 교수 연구팀이 빛의 굴절률에 기반해 특정 세포 물질을 3차원으로 실시간 재현해 내는 홀로토모그래피* 기술을 박테리아 분석에 적용, 내성균인 그람 음성균에 강한 항균 활성을 보이는 펩토이드** 기반 새로운 항균 약물을 개발하고, 이의 항균 기전을 규명했다고 3일 밝혔다. 

 * 홀로토모그래피 : 분석시료에서 빛의 진폭, 위상(phase), 간섭 등의 정보를 취합, 컴퓨터 연산을 통해 영상의 형태로 빛의 분포를 재구성·재현해내는 기술

** 펩토이드(Peptoid) : 대표적 생체분자인 펩타이드의 구조 이성질체로, 펩타이드의 고유 물성인 단분산성, 서열 특이성, 2차 구조, 다양한 단량체의 도입 등의 장점은 유지하면서도, 단점인 체내에서 빠르게 분해되는 낮은 안정성을 극복한 새로운 분자 구조 플랫폼. 현재는 의약(항암, 항균, 세포침투, 유전자 전달)은 물론, 다양한 소재(촉매, 센서, 이산화탄소 포집, 인공광합성)로 응용하기 위한 연구 역시 활발히 진행 중이다.

기존의 항균 기전 분석에 사용해온 현미경은 형광 표지 물질이 세포에 미치는 영향이나 살아있는 세포에 대한 부적합한 전처리 과정 등의 문제가 있었다. 이번 연구에 적용한 홀로토모그래피 기반 박테리아 분석은 별도의 전처리 과정 없이 살아있는 세포를 3차원으로 실시간 분석해, 실제 환경과 유사한 상태에 놓인 박테리아의 변화 정보를 얻을 수 있다.

공동연구팀이 개발한 항균 약물은 인공 펩타이드 유도체인 펩토이드 골격을 기반으로, 박테리아의 세포막과 특이적으로 잘 결합하도록 설계됐다. 이 펩토이드 약물은 적정농도에서는 적혈구 등 인체 세포에 대해 낮은 독성을 보이는 반면, 박테리아의 여러 타깃을 동시다발적으로 공격해 대부분을 파괴하는 것으로 관찰되었다.  

그림2. 그람 음성균에 대한 항균 펩토이드 치료제의 다중타겟 메커니즘 효과 교차 검증_주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM), 형광현미경, 3차원 홀로토모그래피 현미경을 통한 펩토이드 처리 후 박테리아 세포막 파괴 및 박테리아 내부의 응집 현상의 교차 검증 및 규명

KBSI 이성수 박사 연구팀은 확장된 홀로토모그래피 실시간 정량 분석기술을 활용, 박테리아를 자동으로 식별하고 새로 개발한 항균 펩토이드를 처리한 후 박테리아의 내부 물질 및 세포막에 대한 굴절률, 부피, 질량 등의 변화를 정량적으로 분석했다. 특히, 항균 펩토이드 처리 후 박테리아의 내·외부에서 입체적으로 일어나는 세포막 파괴 및 세포 내 응집 현상 과정을 3차원으로 관찰하고, 효용성을 실시간으로 검증해 항생제 개발의 새로운 패러다임을 제시했다. 

이번에 개발한 항균 약물은 내성균 및 병원성 미생물에도 강한 활성을 보여, 궁극적으로 내성 극복이 가능한 차세대 항생제의 개발 전략 및 메커니즘 연구에 기여할 것으로 전망된다.

공동교신저자들은 “이 연구는 국내 토종기술로 개발된 국산 분석장비의 3차원 실시간 홀로토모그래피 기술을 활용, 내성균 치료제의 개발 및 작용기전을 밝힌 성과”라며, “향후 유해인자로 인한 질병의 발병기작 이해 및 치료방법 개발에 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

KBSI 양성광 원장은 “이번 연구성과는 우리연구원이 개발한 분석과학 신기술로, 인류의 골칫덩이인 슈퍼박테리아 극복에 새 해법을 제시한 것”이라며, “KBSI 광주센터가 지역소재 우수 대학과 공동연구를 통해 국가․사회적 현안 해결에 기여하는 혁신적인 결과를 이뤄낸 점에서 더욱 뜻깊다”고 밝혔다.

사진. 공동연구자 사진_(상단 오른쪽부터) KBSI 천영미 박사후연구원(공동제1저자), GIST 김민상 박사과정생(공동저자) GIST 최지은 연구원(공동제1저자). (하단 오른쪽부터) KBSI 이성수 책임연구원(공동교신저자), GIST 서지원 교수(공동교신저자)

본 연구결과는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 원천기술개발사업(미래소재디스커버리)과 기초연구사업(중견연구), 과학기술사업화진흥원의 연구장비 개발 및 고도화지원사업(국산 홀로그래픽 현미경 활용 생체모방분자 실시간 모니터링 핵심분석기술 개발 및 효용성 검증), KBSI의 광주센터 운영사업과 미세먼지 유해물질 분석 및 유해성 평가기술 개발사업, GIST의 GRI의 지원으로 수행됐으며, 다학제 화학분야 최상위 학술지인 ‘Advanced Science’誌 온라인판에 6월 21일 게재(8월 인쇄본 속표지 선정)됐다.

* 논문명 : Real-Time Monitoring of Multitarget Antimicrobial Mechanisms of Peptoids Using Label-Free Imaging with Optical Diffraction Tomography[IF=15.1, KBSI 천영미(공동제1저자, 현 충남대), GIST 김민상(공동제1저자), 신동민(공동제1저자, 현 경보제약), KBSI 이성수(공동교신저자), GIST 서지원(공동교신저자)] 

KBSI 광주센터는 노화연구시설이 보유한 3차원 실시간 홀로토모그래피 현미경, 발광-형광 전임상 분자영상시스템(IVIS Spectrum), 마이크로·나노 CT, 비선형다중여기시스템(Intravital Multi-photon Microscope) 등 바이오 분야 첨단연구장비를 바탕으로 분석과학 기반 국가․사회적 현안 해결, 지역 과학기술 및 산업 발전에 이바지하고 있다. (끝)