병원성 세균 골라 활성산소폭탄 터뜨려

전기자극 반응에 활성산소 발생

내성발생 없는 제균 실마리 기대

김경구 성균관대 교수, 이정헌 성균관대 교수, 아킬리쉬 성균과대 교수

활성산소로 박테리아만 죽이는 나노로봇이 개발됐다. 이번 연구는 내성 세균을 제거할 수 있는 새로운 전략을 제안하였다는 차원에서 항생제 내성 극복을 위한 중요한 전환점을 마련하였다고 평가된다.

한국연구재단은 성균관대 의학과 김경규 교수 연구팀이 성균관대 신소재공학부 이정헌, 서울대학교 식품공학과 유상렬 연구팀과 함께 황색포도상구균에 선택적으로 결합, 외부 전기신호에 반응하여 활성산소를 발생시켜, 제균을 유도하는 20nm 크기의 나노로봇을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구로 인해, 내성발생이 필연적으로 발생하는 기존 항생제의 제균(除菌) 방식과 다른 새로운 방식을 적용, 내성으로부터 자유로운 감염치료제 개발의 실마리가 될 것으로 기대되고 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오‧의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노의학 분야 국제학술지 스몰(Small)에 4월 10일(온라인) 게재되었다.

항생제 내성 문제, 코로나 팬데믹 시대 주요 과제

항생나노봇 합성 및 항생제 내성균 감염 생쥐모델 이용한 효과 검증 모식도

항생제 내성은 인류의 생존을 위협하는 10가지 위험 (스웨덴 GCF 2018년 보고서) 중 하나로써 해결책이 반드시 필요하다. 특히 코로나19 감염 치료 과정에서 항생제 내성이 급격히 증가할 수 있다는 보고 (WHO, 2020)로 코로나 팬데믹에 의해 항생제 내성균의 심각성이 더욱 커질 가능성이 시사되었기에 내성균 감염을 치료할 수 있는 항생제 개발이 시급한 상황이다.

항생제 내성은 균이 어떠한 항생제의 사용에도 듣지 않게 되는 현상으로, 특히 코로나 치료과정에서 폐 감염 치료를 위한 항생제 치료가 병행될 경우 새로운 내성 박테리아의 발생이 용이한 환경이 만들어지기 때문에 코로나 팬데믹에 의한 내성균 증가가 심각한 문제로 대두되고 있다.

현재 항생제 내성을 극복할 수 있는 새로운 치료법이 다양하게 연구되고 있지만 아직 실용화에는 이르지 못하고 있는 실정이다.

김경규 교수 연구팀은 항생제내성치료제 연구소를 중심으로 항생제 내성을 극복하기 위한 다양한 연구를 진행한 바 있다. 2018년에는 미국 인디애나대학교 연구팀, 영국 사우스햄턴 연구팀과의 공동연구를 통해, 대표적인 내성균 중에 하나인 황색포도상구균을 직접 죽이지 않고 독성만을 저해하는 물질을 신선초에서 발굴하여 이 물질을 내성을 유발하지 않는 신개념의 항생제로 개발할 수 있다는 결과를 발표한 적 있기도 하다 (Scientific Reports 2018, Journal of Medicinal Chemistry 2018). 이어 이번 연구에서는 또 다른 작용기전의 박테리아 감염 치료법을 제시했다.

연구팀, 박테리아 사멸 항생나노봇 만들어

연구팀은 내성균에 결합하면서 외부 자극에 반응하여 박테리아를 사멸시킬 수 있는 항생나노봇을 만들기 위해 산화철 나노입자를 합성하고, 이 나노입자를 황색포도상구균에 선택적으로 결합할 수 있는 엔도라이신이라는 단백질로 코팅했다고 설명했다.

연구팀은 “제작된 나노봇이 사람 세포나 다른 박테리아에는 결합하지 않고 오직 황색포도상구균에만 결합한다는 사실을 형광물질이 결합된 나노봇을 이용한 현미경 관찰을 통해 확인하였다”며 “항생나노봇의 활성을 확인하기 위해 황색포도상구균을 동물의 대식세포에 감염시킨 후, 나노봇을 처리하고 라디오 파장(Radio Frequency)을 갖는 교류전류를 가하였다. 박테리아 표면에 붙은 나노봇은 전기자극에 반응하여 활성산소를 만들어 박테리아 세포막을 파괴시킴으로써 박테리아를 사멸시켰다”고 전했다.

이어 연구팀은 마지막으로 황색포도상구균을 쥐의 피하조직에 감염시켜 봉와직염 동물모델을 만들고, 여기에 항생나노봇을 주입한 후 라디오파 전류를 가하게 되면 박테리아 감염이 치유되는 것을 확인함으로써, 항생나노봇을 이용한 박테리아 피부감염 치료 가능성을 검증해냈다.

내성균 감염 치료부터 박테리아 감염 치료까지 기대

이번 연구에서 핵심은 동물세포에 붙지 않고 세균에만 달라붙고, 원하는 때에 활성산소를 발생하는 나노로봇을 설계했다는 것이다. 세균에 대한 선택성은 박테리오파지가 세균에 기생할 때 필요한 도킹 단백질(엔도라이신)을 철 나노입자에 코팅하여 확보하였다. 전기자극을 통해 철 나노입자로부터 활성산소 발생을 유도하여 세균사멸의 시간적인 선택성을 부여했다.

기존 항생제는 세균이 가진 단백질을 표적하기 때문에 표적 단백질에 돌연변이를 갖는 세균이 적응과정에서 살아남아 필연적으로 내성균이 발생한다. 세균의 세포막에 결합하여 세포막을 손상시키는 기전의 항생제가 있었지만 세포막이 변형된 내성균 발생을 피할 수 없었다.

반면 활성산소에 의한 세포막 손상은 단순한 유전자 돌연변이에 의해 극복할 수 없어 내성균이 발생할 가능성이 매우 낮다.

연구팀은 “동물모델에서의 이번 연구가 실용화되려면 생체적합 소재 및 구동방법 최적화 등을 통한 안전성 입증 등이 필요하다”며 “연구에서 증명한 원리를 실제 임상에서 적용할 수 있다면 내성균 감염 치료뿐 아니라, 내성이 발생하지 않게 박테리아 감염을 치료할 수 있으리라 기대된다”고 말했다.