항생제 내성 세균이 독성 물질을 밀어 내는 방법

02/22/22

박테리아가 항생제를 회피하는 전략 중 하나는 안으로 들어온 약물을 세포막을 통해 배출하는 것이다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 과학자들이 박테리아의 독성 분자 배출에 관여하는 단백질 구조와 세포막 채널 작동 기제를 밝혀냈다.

과학자들은 대장균(E. coli)이 다제내성(여러 항생제에 저항하는 성질)을 갖는 데 도움을 주는 유사 단백질도 찾아냈다.

이 발견은 세계 보건 의료계의 중대 현안으로 떠오른 다제내성균(MRSA) 문제를 푸는 실마리가 될 거로 기대된다.


MIT의 훙웨이 화학 교수팀이 수행한 이 연구 결과는 18일(현지 시간) 저널 '네이처 커뮤니케이션'(Nature Communications)에 논문으로 실렸다.

연구팀은 NMR(핵자기 공명) 분광학 기술로 항생제 등 독성 물질이 들어왔을 때 이 세균 단백질 구조가 어떻게 변하는지 관찰했다.

연구팀은 특히 제초제나 항균성 화합물 같은 독성 물질의 운반에 관여하는 막(膜) 결합성 단백질 EmrE의 행동에 주목했다.

EmrE가 세균의 항생제 저항에 직접 개입하는 건 아니었다.

하지만 같은 '작은 다제 내성'(SMR) 전달체 족(族ㆍfamily)에 속하는 다른 전달체들은, 항생제 내성을 보이는 결핵균(MTB)과 아시네토박터 바우마니균(Acinetobacter baumanii)에서 자주 발견됐다.

훙 교수팀은 몇 년 전 단백질에 불소 탐침(fluorine probe)을 찔러 수소 원자와의 거리를 NMR 분광학 기술로 측정하는 방법을 개발했다.

이 기술을 쓰면 어떤 단백질이 불소를 포함한 분자와 결합할 때 그 단백질 구조를 확인할 수 있었다.

과학자들은 EmrE 단백질 분자에 거의 평행인 4개의 막(膜)전위 나선(transmembrane helice) 구조가 있다는 걸 알고 있었다.

하지만 NMR 분광학 기술 덕에 원자 수준의 해상도로 더 선명한 EmrE 구조를 확인할 수 있었다.

핵심은 2개의 EmrE가 2분자체로 결합하는 것이었다.

이렇게 되면 리간드(약물 유사 분자)와 상호작용하는 세포막 안쪽에 8개의 막전위 나선이 형성됐다.

이 나선 구조의 위상 배치는 이전의 연구에서 확인됐다. 하지만 이 채널의 안쪽까지 뻗은 단백질 측면 체인(protein side chains)의 위상 배치는 알지 못했다.

이 사슬 구조는 리간드를 붙잡아 막 채널을 통과하게 안내하는 촉수와 비슷한 일을 했다.

2분자체로 합쳐진 EmrE는 박테리아 세포 안에 있던 독성 분자를 밖으로 운반했다.

이때 세포 안은 중성 페하(neutral pH)지만 밖은 산성이었다.

세포막을 사이에 두고 이렇게 페하(수소 이온 농도 지표)가 다른 게 EmrE 구조에 영향을 미쳤다.

중성일 땐 막 채널의 4개 나선이 평행에 가까워 리간드가 쉽게 들어올 수 있었다.

그러다가 페하가 산성으로 바뀌면 나선이 기울어지면서 세포 바깥쪽으로 많이 열렸고, 이게 리간드의 배출을 더 용이하게 했다.

논문의 수석저자인 훙 교수는 "EmrE 전달체가 세포막의 양쪽을 어떻게 여는지 이해하려면 두 개의 구조가 있어야 한다"라면서 "그러면 이 전달체가 세균의 내부에 있던 리간드나 항생제를 밖으로 밀어내는 걸 확인할 수 있다"라고 말했다.

이 EmrE 채널은 항생제 외의 독성 화합물 운반에도 많이 관여할 것으로 추정된다.

훙 교수팀은 후속 연구를 통해 이 부분도 밝힐 계획이다.

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