Identification and Characterization of a Novel Fosfomycin Bacillithiol Transferase FosB8 in Paenibacillus illinoisensis
본 연구는 *Paenibacillus illinoisensis*에서 효율적인 효소적 해독을 통해 높은 수준의 내성을 부여하는 새로운 내재적 포스포마이신 바실리티올 전이효소인 FosB8을 식별 및 특성화하였으며, 이는 FosB 효소 패밀리의 여덟 번째 알려진 구성원으로 기록되었다.
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의학과 미생물 사이의 지속적인 전투 속에서, 박테리아는 자신을 죽이기 위해 설계된 약물로부터 살아남는 법을 배우는 긴 역사를 가지고 있습니다. 이러한 약물 중 하나인 포스포마이신(fosfomycin)은 더 새로운 약물들이 실패할 때, 특히 요로 감염이나 고집스러운 다제내성 박테리아를 다룰 때 의사들이 가끔 찾는 오래된 항생제입니다. 이 약물은 박테리아가 세포벽을 구축하는 데 필요한 특정 단계를 공격하여, 본질적으로 박테리아의 성장을 멈추게 하는 방식으로 작용합니다. 그러나 일부 박테리아는 영리한 방어 기제를 개발했습니다. 그들은 약물이 제 역할을 하기 전에 약물을 조각조각 잘라버리는 분자 가위와 같은 역할을 하는 특수한 효소를 생성합니다. 불활성화라고 알려진 이 과정은 약물을 무용지물로 만듭니다. 과학자들이 Staphylococcus(포도상구균)와 같은 흔한 박테리아에서 발견되는 이러한 방어 효소의 여러 버전을 알고 있었지만, 훨씬 덜 흔한 많은 박테리아는 여전히 이해가 부족한 상태로 남아 있어, 더 넓은 미생물 세계에서 내성이 어떻게 확산되는지에 대한 지식의 공백을 남겨두고 있습니다.
연구진은 최근 중국 항저우의 한 병원에서 고령 환자의 상처에서 분리된 Paenibacillus illinoisensis라는 희귀 박테리아에 주목했습니다. WP77이라고 명명된 이 특정 균주는 포스포마이에 내성을 가진 것으로 밝혀졌으나, 이러한 내성을 설명하는 유전적 이유는 미스터리였습니다. 표준 유전 탐색으로는 이러한 면역을 보통 설명해 주는 기존의 내성 유전자들을 찾을 수 없었습니다. 이 수수께끼를 풀기 위해 연구팀은 박테리아의 전체 유전 코드를 시퀀싱하고 숨겨진 메커니즘을 찾아내는 정밀한 추적을 시작했습니다. 그들은 이전에 이 특정 형태로는 본 적이 없는 새로운 유전자를 발견했으며, 이를 fosB8이라고 명명했습니다. 이 유전자는 포스포마이신 바실리티올 전이효소(fosfomycin bacillithiol transferase)로서 기능하는 단백질을 인코딩하며, 이는 항생제를 화학적으로 변형시켜 무력화하는 유형의 효소입니다. 연구진은 이 새로운 유전자를 무해한 실험실 박테리아에 삽입했을 때, 해당 박테리아가 원래의 환자 분리 균주와 마찬가지로 약물에 대해 높은 내성을 갖게 됨으로써 이 새로운 유전자가 실제로 내성의 원인임을 확인했습니다.
이 연구는 이 새로운 효소가 어떻게 작동하는지에 대한 면밀한 관찰을 제공했습니다. 연구팀은 fosB8 유전자에 의해 생성된 단백질을 정제하여 통제된 환경에서 활성을 테스트했습니다. 그들은 이 효소가 포스포마이신 약물에 바실리티올(bacillithiol)이라는 작은 분자를 효율적으로 결합시켜 약물의 구조를 깨뜨리고 무해하게 만든다는 것을 발견했습니다. 이 새로운 효소는 Staphylococcus에서 발견된 이전에 알려진 버전보다 이 작업에 약간 덜 효율적이었지만, 박테리아를 완전히 보호하기에는 충분히 강력했습니다. 연구진이 이 새로운 유전자를 가진 박테리아를 테스트했을 때, 성장을 멈추기 위해 필요한 약물의 양은 유전자가 없는 박테리아에 비해 256배 증가했습니다. 이 극적인 상승은 이 유전자가 원래의 박테리아가 치료를 견뎌낼 수 있었던 주요 원인임을 확인해 주었습니다.
단순히 유전자를 식별하는 것을 넘어, 연구진은 내성이 어떻게 퍼질 수 있는지 이해하기 위해 박테리아 게놈 내에서의 유전적 주변 환경을 지도화했습니다. 그들은 fosB8 유전자가 내성 유전자가 서로 다른 종 사이에서 빠르게 이동하는 방식인 작은 이동성 DNA 고리인 플라스미드가 아니라, 박테리아의 주 염색체 위에 위치한다는 것을 발견했습니다. 유전자 주변 영역은 빠른 전달을 용이하게 하는 일반적인 이동성 유전 요소의 징후를 보이지 않았습니다. 그러나 연구진은 이 특정 유전자가 많은 다양한 Paenibacillus 균주에 자연적으로 존재한다는 점에 주목했으며, 이는 이 속(genus)의 박테리아가 이 내성 형질을 오랜 기간 보유하는 자연적 저장소 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 연구는 또한 박테리아의 게놈이 약 664만 염기쌍 길이며 거의 6,000개의 유전자를 포함하고 있다는 사실을 밝혔으며, 이는 이 희귀 생물에 대한 완전한 유전적 청사진을 제공합니다.
fosB8의 발견은 이것이 이 특정 내성 효소의 여덟 번째 알려진 유형을 나타낸다는 점에서 중요하며, 박테리아가 항생제를 물리치는 방법의 목록을 확장합니다. 연구진은 이 효소가 포스포마이신에 특이적이며 테트라사이클린(tetracycline)이나 젠타마이신(gentamicin)과 같은 다른 유형의 항생제에 대한 내성을 부여하지 않는다는 것을 확인했습니다. 이러한 특이성은 왜 이 박테리아가 일부 약물에는 내성이 있으면서 다른 약물에는 여전히 취약한지를 설명하는 데 도움이 됩니다. 연구는 이 내성 유전자가 현재 염색체에 존재하며 서로 다른 종 사이에서 빠르게 퍼지고 있지는 않지만, 다양한 Paenibacillus 균주에 존재한다는 사실은 향후 더 위험한 병원균으로 전이될 가능성이 있음을 시사하며 마무리됩니다. 이 새로운 효소와 그 유전적 고향을 규명함으로써, 이 연구는 박테리아가 가진 숨겨진 방어 기제에 대한 더 명확한 그림을 제공하며, 내성이 어떻게 진화하고 임상 환경에서 지속되는지 이해하는 데 더 나은 토대를 마련해 줍니다.
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