그림1. 천연물 유래 신규 항생물질 히루니핀 2 발굴 및 효용성 검증
참거머리 침샘 등의 전사체 분석부터 ODT-HTS를 통한 검증까지의 히루니핀 2 발굴 과정과 항균, 항바이오 필름, 항염증 활성 확인과
기존 항생제와의 병용 처리에 대한 시너지 효과 확인을 통해 신규 항생물질의 효능을 직접적으로 규명
국내 연구진이 새로운 실시간 항균 및 항바이오필름* 활성 분석 기술을 통해 약용 참거머리(Hirudo nipponia)*의 타액선에서 유래한 신규 항균 펩타이드를 발굴했다. 이번 연구는 다제 내성균, 슈퍼박테리아*에 의한 감염병 치료제 개발과 작용 기전 규명에 기여할 것으로 기대된다.
한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI) 호남권센터의 이성수 박사, 조선대학교(총장 김춘성) 의과대학 의예과 신송엽 교수, 충북대학교(총장 고창섭) 생물학과 조성진 교수로 구성된 공동연구팀은 굴절률 정보 기반 정량 정보를 활용한 3차원 홀로토모그래피* 기술을 이용해, 살아 있는 슈퍼박테리아의 항균 및 항바이오필름 활성을 실시간으로 확인했다. 연구팀은 이를 통해 거머리 유래 천연 항생물질인 히루니핀 2(Hirunipin 2)를 발굴했으며, 해당 물질의 항균 및 항바이오필름 효과를 검증하여 신규 내성균 치료제로서의 가능성을 입증했다.
기존의 3차원 홀로토모그래피 기술은 박테리아를 추적해 항균 기전을 분석하는 이미징 기법으로, 한 번의 실험에서 단일 물질에 대한 실시간 분석만 가능했다. 이번 연구에서는 다량의 샘플을 동시에 분석할 수 있는 ODT for high-throughput screening(ODT-HTS)* 기술을 도입해, 신규 항생물질 발굴부터 항균 효과 검증까지 실시간 이미징 정량 분석을 활용했다. 특히, 항바이오필름 효과까지 실시간으로 분석하여 슈퍼박테리아에 대한 작용 기전을 폭넓게 규명했다.
그림2. 3차원 홀로토모그래피 활용 히루니핀 2에 의한 항바이오필름 효과 확인
3차원 홀로토모그래피 현미경을 통한 히루니핀 2 처리 후 슈퍼박테리아에 의해 생성되는 바이오필름의 생성 저해 현상의 검증 및 규명
공동연구팀은 약용 참거머리의 침샘 전사체 데이터베이스를 AI 기반으로 항균 펩타이드 예측 분석하여 항균 펩타이드의 구조 안정성, 항균 및 항염증 특성 등을 평가한 결과, 19개의 신규 천연 항생물질 후보를 발굴했다. 이들 중 ODT-HTS 분석을 통해 실제 항균 효과를 입증한 3개의 최종 후보를 선별해 이들의 항균 및 항바이오필름 활성을 추가적으로 확인했다. 최종적으로 발굴된 히루니핀 2는 강력한 항균 효과를 나타내며, 슈퍼박테리아 치료제로서의 잠재력을 입증했다.
KBSI 이성수 박사 연구팀은 ODT-HTS 기술을 활용해 슈퍼박테리아가 생성하는 바이오필름의 실시간 성장을 무표지 3차원 홀로토모그래피 이미징으로 관찰했다. 또한 굴절률, 부피, 질량 등의 정량적 변화를 분석함으로써 히루니핀 2가 바이오필름을 파괴하는 과정을 실시간으로 확인하며, 신규 항생제로서의 가능성을 제시했다.
KBSI 이성수 박사는 “이번 연구는 국내 천연자원 데이터베이스와 국산 3차원 홀로토모그래피 기술을 결합해 내성균 치료제 개발 가능성을 제시한 독창적인 연구”라며 “향후 신규 항생제 개발 및 슈퍼박테리아 연구에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
그림3. 논문 표지 이미지_Advanced Science 저널 Volume 12, Issue 10 내 Frontispiece Cover Image
본 연구는 한국연구재단(NRF)의 기초연구사업(중견연구), 과학기술사업화진흥원의 국산연구장비기술경쟁력강화사업(국산 3D 홀로토모그래피 활용 유해인자 분석 혁신기술개발 및 상용화), KBSI 분석과학 특성화 연구사업을 통해 수행되었으며, 다학제 화학 분야의 최상위 학술지인 ‘Advanced Science’誌 온라인판에 3월 13일 게재되었다.
* 논문명 : Novel Leech Antimicrobial Peptides, Hirunipins: Real-Time 3D Monitoring of Antimicrobial and Antibiofilm Mechanisms Using Optical Diffraction Tomography [IF=14.3, 조선대 Kumar(공동제1저자), KBSI 박정원(공동제1저자), 조선대 Naveen(공동제1저자), 충북대 Aryal(공동제1저자), KBSI 이성수(공동교신저자), 조선대 신송엽(공동교신저자), 충북대 조성진(공동교신저자)]
KBSI 호남권센터는 노화 연구시설에서 보유한 3차원 실시간 홀로토모그래피 현미경 및 형광·발광 기반 바이오 연구 장비 등을 활용해, 분석과학 기반 국가 및 사회적 문제 해결, 그리고 지역 과학기술 및 산업 발전에 기여하고 있다. <끝>
