항생제 내성균의 위협
WHO에 따르면, 전 세계적 으로 항생제 내성 박테리아로 인해 매년 약 500만 명이 사망하고 있으며, 이 상황을 해결할 수 있는 잠재적인 약물을 찾는 것이 매우 시급합니다.
생명공학 선구자인 세사르 데 라 푸엔테가 이끄는 팀은 인공지능(AI) 기반 계산 방법을 사용하여 네안데르탈인과 같은 멸종된 인류 친척의 유전적 특성을 추출하고, 4만 년 전의 항생제를 복원하고 있습니다.
멸종된 인류 네안데르탈인의 모형. 사진: 게티
과학자들은 연구를 통해 박테리아와 싸울 수 있는 여러 개의 작은 단백질이나 펩타이드 분자를 발견했는데, 이는 인간의 감염과 싸우는 새로운 약물의 길을 열 수 있습니다.
항생제(예: 페니실린)는 자연적으로(다른 항균 미생물에 의해) 생성되는 항생제이고, 비항생제 항미생물(예: 설폰아미드 및 방부제)은 완전히 합성된 항생제입니다.
그러나 두 유형 모두 미생물의 성장을 죽이거나 막는 동일한 목표를 가지고 있으며, 항균 화학 요법의 범주에 속합니다. 항균제에는 소독제, 항균 비누, 화학 세제가 포함되는 반면, 항생제는 의약품과 때로는 동물 사료에 사용되는 더욱 특수한 유형의 항균제입니다.
항생제는 감기나 독감과 같은 질병을 유발하는 바이러스에는 효과가 없으므로, 바이러스를 억제하는 약물은 항생제가 아니라 항바이러스제 또는 항레트로바이러스제라고 합니다.
"이번 연구를 통해 살아있는 유기체에서 이전에는 볼 수 없었던 새로운 염기서열과 새로운 유형의 분자를 발견할 수 있게 되었고, 분자 다양성에 대해 더욱 폭넓게 고찰할 수 있게 되었습니다."라고 연구팀을 이끈 미국 펜실베이니아 대학교의 세사르 데 라 푸엔테 박사는 말했습니다. "오늘날의 박테리아는 이러한 새로운 분자를 접해 본 적이 없기 때문에, 이는 오늘날 치료하기 어려운 병원균을 다룰 수 있는 좋은 기회가 될 수 있습니다."
전문가들은 항생제 내성균에 대한 새로운 연구 결과가 시급하다고 말합니다. 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스 분자·세포·발생생물학 교수인 마이클 마한은 "세계는 항생제 내성 위기에 직면해 있습니다… 미래를 위한 잠재적 해결책을 찾기 위해 과거로 돌아가야 한다면, 저는 전적으로 찬성합니다."라고 말했습니다.
"쥬라기 공원"의 제안
대부분의 항생제는 토양에 서식하는 미생물을 선별하여 발견된 박테리아와 곰팡이에서 유래합니다. 하지만 최근 수십 년 동안 항생제 남용으로 인해 병원균이 항생제에 내성을 갖게 되었습니다.
지난 10년 동안 델라 푸엔테는 계산적 방법을 사용하여 다양한 펩타이드의 항생제 대체 가능성을 평가해 왔습니다. 그러던 어느 날, 연구실에서 블록버스터 영화 "쥬라기 공원"이 등장하면서 연구팀은 멸종된 분자를 연구해 보자는 아이디어를 떠올렸습니다. 그는 "과거의 분자를 다시 가져오면 어떨까요?"라고 말했습니다.
이전에 알려지지 않은 펩타이드를 찾기 위해 연구팀은 인간 단백질에서 항균 활성을 가질 수 있는 단편화된 부위를 인식하도록 AI 알고리즘을 훈련시켰습니다. 그런 다음 이를 호모 사피엔스, 호모 네안데르탈렌시스, 그리고 네안데르탈인과 밀접한 관련이 있는 또 다른 고인류인 데니소바인의 공개적으로 이용 가능한 단백질 서열에 적용했습니다.
연구팀은 이전의 항균 펩타이드의 특성을 이용하여 어떤 고대 펩타이드가 박테리아를 죽일 가능성이 가장 높은지 예측했습니다.
다음으로, 연구팀은 가장 강력한 펩타이드 69개를 합성하고 시험하여 박테리아를 죽일 수 있는지 확인했습니다. 연구팀은 가장 강력한 펩타이드 6개를 선정했는데, 여기에는 현생인류에서 4개, 네안데르탈인에서 1개, 데니소바인에서 1개가 포함되었습니다.
연구팀은 이들을 인간의 병원 감염을 흔히 일으키는 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii)라는 박테리아에 감염된 쥐에 노출시켰습니다. (병원 감염은 환자가 입원 당시에는 없었던 감염이 병원에 있는 동안 발생하는 것을 말합니다.)
펜실베이니아 대학교의 생명공학 선구자 세사르 데 라 푸엔테는 알고리즘이 선정한 6개의 펩타이드 중 네안데르탈인에서 추출한 펩타이드 하나가 박테리아에 감염된 생쥐에서 병원균을 퇴치하는 데 가장 효과적이었다고 밝혔습니다. (사진: 펜실베이니아 대학교)
"가장 흥미진진했던 순간 중 하나는 실험실에서 분자를 화학적으로 재구성하고 처음으로 생명을 불어넣었을 때였습니다. 과학적 관점에서 그 순간을 보는 것은 정말 놀라웠습니다."라고 델라 푸엔테는 말했습니다.
피부 농양에 감염된 쥐에서는 펩타이드가 박테리아를 적극적으로 죽였고, 허벅지 감염에 걸린 쥐에서는 펩타이드가 덜 효과적이기는 했지만 여전히 박테리아 성장을 막았습니다.
델라 푸엔테 박사는 "가장 좋은 펩타이드는 네안데르탈인에게서 유래한 네안데르탈 1이라고 불리는 펩타이드인데, 이것이 쥐에게 가장 효과적인 펩타이드입니다."라고 말했습니다.
더 많은 연구가 필요합니다
그러나 델라 푸엔테는 이 펩타이드 중 어떤 것도 "항생제로 사용될 준비가 되어 있지 않다"며, 대신 광범위한 조정이 필요할 것이라고 강조했습니다. 내년에 발표될 연구에서 그와 그의 동료들은 상세한 유전 정보가 있는 208종의 멸종 생물의 단백질 서열을 탐색하는 새로운 딥러닝 모델을 개발했습니다.
연구팀은 멸종된 동물에서만 발견되었던, 이전에는 발견되지 않았던 11,000개 이상의 잠재적 항균 펩타이드를 발견했고, 시베리아 털매머드, 스텔러바다소(18세기 북극에서의 사냥으로 멸종된 해양 포유류), 거대나무늘보, 그리고 아일랜드 거대무스(메갈로세로스 기간테우스)에서 가장 유망한 펩타이드를 합성했습니다. 그는 새롭게 발견된 펩타이드가 생쥐에서 "탁월한 항감염 활성"을 보였다고 밝혔습니다.
영국 존 이네스 센터의 그룹 리더인 드미트리 길라로프 박사는 새로운 항생제를 찾는 데 있어 걸림돌이 되는 것은 항생제가 불안정하고 합성하기 어렵다는 점이라고 말했습니다. 길라로프 박사는 "독성 등의 어려움 때문에 업계에서 개발 및 추진되지 않는 펩타이드 항생제가 많습니다."라고 말했습니다.
2021년 5월에 발표된 논문에 따르면, 연구자들이 발견한 10,000개의 유망한 화합물 중에서 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받은 항생제는 1~2개에 불과합니다.
조지 메이슨 대학(미국) 시스템 생물학과의 교수이자 연구 부소장인 모니크 반 호크 박사는 자연에서 발견되는 펩타이드가 새로운 약물이나 다른 유형의 항생제를 직접 만들어내는 경우는 매우 드물다고 말했습니다.
반 호크에 따르면, 새로운 펩타이드의 발견은 연구자들이 계산 기술을 사용하여 이 펩타이드의 새로운 항생제로서의 잠재력을 탐구하고 최적화할 수 있는 토대를 마련해 줄 것이라고 합니다.
반 호크는 현재 미국 악어에서 발견되는 천연 펩타이드에서 유래한 합성 펩타이드 연구에 집중하고 있습니다. 이 펩타이드는 현재 전임상 시험을 진행하고 있습니다.
멸종된 악어나 인간으로부터 새로운 항생제를 얻는다는 게 이상하게 보일지 몰라도, 항생제 내성 박테리아의 심각성을 생각하면 그런 연구는 가치 있는 일이라고 반 호크는 말한다.
Hoai Phuong (CNN에 따르면)
[광고_2]
원천
댓글 (0)