Engineering ArtE2, a polycationic peptide-fused Bacillus endolysin, expands antibacterial activity to Escherichia coli while retaining potency against Staphylococcus aureus
본 연구는 *Staphylococcus aureus*에 대한 효능을 유지하면서 *Escherichia coli*까지 항균 활성을 성공적으로 확장한, *Bacillus altitudinis* 엔돌라이신의 다가 양이온 펩타이드 융합 및 변이체인 ArtE2의 공학적 설계를 보고한다.
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수십 년 동안 박테리아 감염과의 싸움은 점점 줄어드는 항생제 무기에 의존해 왔으며, 박테리아가 이러한 약물에 저항하도록 진화함에 따라 이 상황은 점점 더 긴박해지고 있습니다. 유망한 대안은 자연의 바이러스 사냥꾼인 박테리오파지(bacteriophages)에 있습니다. 이 바이러스들은 박테리아를 감염시키고, 마지막 번식 단계에서 엔도라이신(endolysins)이라는 특수한 효소를 방출합니다. 이 효소들은 정밀한 분자 가위처럼 작용하여 박테리아의 세포벽을 잘라내고 새로운 바이러스를 방출합니다. 이 가위들은 많은 박테리아를 상대로 훌륭하게 작동하지만, 그램 음성균(Gram-negative bacteria)이라고 알려진 특정 집단을 공격하려 할 때 중대한 장애물에 직면합니다. 이 유기체들은 대부분의 엔도라이신이 목표물에 도달하는 것을 차단하는 추가적인 외부 쉴드를 가지고 있어, 천연 효소를 효과가 없게 만듭니다. 과학자들은 이 효소를 수정하는 방법을 오랫동안 모색해 왔으며, 아마도 이들이 외부 장벽을 뚫고 나가는 데 도움이 될 수 있는 작고 양전하를 띤 태그를 부착함으로써, 대장균(Escherichia coli)과 같은 위험한 그램 음성 병원균을 포함하도록 그 범위를 확장하고자 했습니다.
최근 한 연구에서 연구자들은 이 아이디어를 테스트하기 위해 자연적으로 발생하는 효소의 새로운 버전을 설계하는 실험을 진행했습니다. 그들은 이미 흔한 그램 양성 박테리아인 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)을 파괴하는 데 효과적이라는 것을 알고 있었던 바실러스 알티두디니스(Bacillus altitudinis)라는 박테리아에서 유래한 엔도라이신에서 시작했습니다. 이 효소를 대장균을 공격할 수 있는 도구로 변형하기 위해, 팀은 두 가지 구체적인 변화를 주었습니다. 첫째, 그들은 효소의 앞부분에 짧은 10개의 아미노산 사슬을 융합했습니다. 이 사슬은 양전하가 풍부하며, 그램 음성의 외막인 음전하 표면과 상호작용할 수 있는 열쇠 역할을 하도록 설계되었습니다. 둘째, 그들은 효소가 목표물을 더 잘 움켜쥐도록 하기 위해 특정 구성 요소를 교체하는 두 가지 미세한 내부 구조 조정을 수행했습니다. 그 결과, 연구진은 ArtE2라고 명명한 새로운 공학적 단백질을 만들어냈습니다.
연구진은 이 새로운 창조물을 실험실에서 테스트했습니다. 그들은 대장균과 황색포도상구균 배양액을 키운 뒤 이 단백질에 노출시켰습니다. 결과는 놀라웠습니다. 원래의 수정되지 않은 효소는 대장균에 거의 아무런 영향을 미치지 못해 살아있는 박테리아의 수를 줄이는 데 실패했습니다. 반면, 공학적으로 설계된 ArtE2는 매우 효과적이어서 한 시간 이내에 대장균의 개체 수를 100만 배 감소시켰습니다. 결정적으로, 이 새로운 단백질은 황색포도상구균에 대한 기존의 효력을 유지했을 뿐만 아니라, 천연 버전과 비교했을 때 처리 후 생존하는 박테리아의 잔류 수가 더 적었습니다. 연구진은 또한 단백질의 박테리아 살균 능력이 단백질이 얼마나 존재하는지와 박테리아가 얼마나 오래 노출되었는지에 따라 달라진다는 것을 관찰했으며, 이는 치료와 결과 사이의 직접적이고 조절 가능한 관계를 시사합니다.
이 새로운 설계가 왜 작동했는지 이해하기 위해, 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 단백질의 거동을 살펴보았습니다. 그들은 단백질이 박테리아 세포벽을 구성하는 파편들과 어떻게 상호작용할지 모델링했습니다. 시뮬레이션 결과, 공학적으로 설계된 단백질은 특히 칼슘 이온과 중성 pH 조건 하에서 원래 버전보다 이 파편들에 더 단단히 결합한다는 것을 보여주었습니다. 컴퓨터 모델은 또한 단백질이 이러한 조건에서 안정성을 유지하고 형태를 잘 유지한다는 것을 보여주었으며, 이는 강력한 항균 활성을 보인 실험 결과와 일치합니다. 그러나 연구진은 이러한 컴퓨터 모델이 예측일 뿐 직접적인 결합 강도 측정값이 아니며, 단백질이 그램 음성 박테리아의 외막을 뚫고 들어가는 정확한 메커니즘은 이 연구에서 직접 관찰되지 않았음을 주의 깊게 언급했습니다.
이 연구는 이 공학적 접근 방식이 천연 효소의 범위를 어려운 그램 음성 타겟까지 성공적으로 확장하면서도 그램 양성 박테리아에 대한 효과를 유지했음을 결론짓습니다. 이 작업은 전하를 띤 펩타이드와 작은 구조적 미세 조정을 통해 이러한 효소들을 수정하는 것이 자연적 장벽을 극 overcome 할 수 있다는 개념 증명을 제공합니다. 결과는 유망하지만, 저자들은 이것이 표준 실험실 균주를 사용한 예비 연구임을 강조했습니다. 그들은 다음 단계로, 이 공학적 단백질의 잠재력을 완전히 결정하기 위해 현재의 항생제에 내성을 가진 것들을 포함한 더 다양한 종류의 박테리아를 대상으로 테스트할 것을 제안합니다. 현재로서는, 이 연구는 자연의 도구를 신중하게 재설계함으로써 과학자들이 약물 내성 감염이라는 커지는 위협에 맞서 새로운 방어 수단을 만들 수 있다는 명확한 길을 제시하고 있습니다.
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