Isolation and engineering of antimicrobial peptides targeting pathogenic Escherichia coli and Salmonella of poultry
본 연구는 파지 디스플레이와 차세대 염기서열 분석 기술을 활용하여 병원성 대장균(Escherichia coli) 및 살모넬라(Salmonella)를 효과적으로 표적하는 항균 펩타이드를 분리 및 공학적으로 설계하였으며, 선택된 펩타이드를 카텔리시딘-BF(Cathelicidin-BF)와 결합하고 혼합 배양에서 평가함으로써 이러한 내성 박테리아에 대한 효능과 특이성을 높일 수 있음을 입증하였다.
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축산업의 세계에서 닭은 전 세계를 먹여 살리기 위해 엄청난 수로 길러지지만, 이들은 집단 내에서 빠르게 퍼질 수 있는 박테리아 감염에 취약하기도 합니다. 가장 골치 아픈 주범 중 두 가지는 대장균(Escherichia coli)과 살모넬라(Salmonella)로, 이 박테리아들은 조류를 병들게 할 수 있으며 경우에 따라 인간에게도 옮겨질 수 있습니다. 수십 년 동안 농부들은 이러한 감염을 막기 위해 항생제에 의존해 왔으나, 박테리아들은 이에 맞서 싸우는 법을 배우고 있습니다. 그들은 표준적인 약물을 무용지물로 만드는 방어 기제를 진화시키고 있는데, 이를 항생제 내성이라고 불리는 문제입니다. 이러한 내성은 흔한 감염에 대해 효과적인 치료법이 남지 않게 만들 수 있는 성장하는 위기입니다. 과학자들은 이제 전통적인 항생제에 의존하지 않고 박테리아를 죽일 수 있는 새로운 방법들을 찾고 있습니다. 한 가지 유망한 방안은 항균 펩타이드라고 불리는 아주 작은 단백질 조각을 이용하는 것입니다. 이것들은 식물에서 동물에 이르기까지 많은 생명체에서 발견되는 자연 발생 분자로, 박테리아의 세포벽에 구멍을 뚫음으로써 일차적인 방어선 역할을 합니다. 자연에는 많은 사례가 존재하지만, 이들은 종종 불안정하거나 대량으로 생산하기 어렵기 때문에 연구자들은 처음부터 더 낫고 효과적인 버전을 설계하는 방법을 찾고 있습니다.
노팅엄 대학교와 ADAS의 연구팀은 가금류를 괴롭히는 박테리아를 표적으로 삼도록 특별히 설계된 새로운 항균 펩타이드를 찾기 위해 착수했습니다. 어떤 화학적 구조가 효과가 있을지 추측하는 대신, 그들은 마치 거대한 자동 낚시 탐사처럼 작동하는 파지 디스플레이(phage display)라는 방법을 사용했습니다. 그들은 각기 다른 16개의 아미노산(단백질의 구성 단위) 서열을 표면에 가진 수십억 개의 작은 바이러스를 포함하는 라이브러리를 만들었습니다. 그런 다음 이 라이브러리를 표적 박테리아인 대장균과 살모넬라에 노출시켜 바이러스들이 박테리아 표면에 달라붙게 했습니다. 결합하지 않은 바이러스를 씻어내고 박테리아에 잘 달라붙은 것들만 남김으로써, 그들은 어떤 특정 아미노산 서열이 박테리아를 잡는 데 뛰어난지를 식별할 수 있었습니다. 이 과정을 더욱 정밀하게 만들기 위해, 그들은 살아남은 바이러스의 유전 코드를 읽어내는 강력한 시퀀싱 기술을 사용하여 가장 성공적으로 결합한 정확한 서열을 찾아냈습니다.
이 거대한 후보군 중에서 연구진은 표적 박테리아에 강한 선호도를 보이며 달라붙는 57개의 펩타이드로 초점을 좁혔습니다. 그다음 연구진은 이 57개의 후보가 단순히 달라붙는 것을 넘어 실제로 박테리아를 죽일 수 있는지 테스트했습니다. 결과는 선택적이었으나 유의미했습니다. 5개의 펩타이드가 낮은 농도에서도 박테리아를 억제하거나 죽이는 능력을 보여주었습니다. GWG라고 명명된 한 펩타이드는 테스트된 모든 그람 음성 박테리아에 효과적이었던 반면, 다른 것들은 특정 조건에서만 활성을 보였습니다. 또한 연구진은 조류에서 자연적으로 발견되며 광범한 항균 특성을 가진, 잘 알려지고 연구된 펩타이드인 카텔리시딘-BF(Cathelicidin-BF)와 이 새로운 발견들을 비교했습니다. 그들은 새로운 펩타이드들도 효과적이었지만, 자연 상태의 카텔리시딘-BF가 훨씬 더 낮은 농도에서 박테리아를 죽임으로써 더욱 강력하다는 것을 발견했습니다.
연구진이 혼합된 환경에서 이 펩타이드들이 어떻게 행동하는지 조사했을 때 연구는 흥미로운 국면을 맞이했습니다. 현실 세계에서 박테리아는 결코 고립되어 존재하지 않으며, 다른 종들과 함께 공동체를 이루어 삽니다. 연구진이 대장균과 살모넬라가 함께 들어있는 배양액에서 펩타이드를 테스트했을 때, 펩타이드의 행동이 변했습니다. 단독으로 테스트했을 때는 두 종류의 박테리아를 모두 똑같이 잘 죽였던 자연 카텔리시딘-BF 펩타이드는, 혼합 배양에서는 갑자기 훨씬 더 선택적으로 변하여 살모넬라는 거의 건드리지 않은 채 대장균을 선호하여 죽였습니다. 이러한 변화는 한 박테리아 종의 존재가 다른 종이 치료에 반응하는 방식을 변화시킬 수 있음을 시사하며, 이는 과학자들이 박테리아를 하나씩 따로 테스트할 때 흔히 놓치는 요소입니다.
이 펩타이드들을 더욱 효과적으로 만들기 위해, 팀은 두 개의 펩타이드 분자를 서로 연결하여 한 쌍을 만드는 이합체화(dimerization) 전략을 시도했습니다. 그들은 새로운 펩타이드들의 쌍뿐만 아니라, 새로운 펩타이드와 자연 카텔리시딘-BF를 결합한 쌍을 만들었습니다. 결과는 분자들을 연결하는 것이 그 성질을 놀라운 방식으로 변화시킨다는 것을 보여주었습니다. 어떤 경우에는 분자들을 연결하는 것이 박테리아 성장을 막는 데 덜 효과적이었지만, 또 다른 경우에는 박테리아를 죽이는 데 훨씬 더 효과적이었습니다. 예를 들어, 새로운 펩타이드인 GWG를 카텔리시딘-BF와 연결하여 만든 쌍은 혼합 배양에서 대장균을 선택적으로 죽이는 능력을 유지했는데, 이는 단일 분자일 때는 두드러지지 않았던 특성이었습니다. 이는 단순히 두 가지 다른 펩타이드를 연결함으로써 과학자들이 그들의 행동을 미세하게 조정할 수 있으며, 잠재적으로 각각의 조각이 단독으로 기능할 때보다 더 정밀하거나 강력한 도구를 만들 수 있음을 시사합니다.
연구진은 또한 이 펩타이드들이 적혈구에 손상을 주는지 테스트하여 이 새로운 펩타이드들의 안전성을 조사했는데, 이는 항균 치료에서 흔한 우려 사항입니다. 대부분의 새로운 펩타이드는 높은 농도에서도 혈구 세포에 거의 해를 끼치지 않았습니다. 그러나 새로운 펩타이드 중 하나인 GWG는 혈구 세포를 손상시키는 능력을 보였으나, 이를 쌍으로 연결하자 이러한 유해한 효과가 감소했습니다. 이 발견은 약물 개발에 있어 매우 중요한 균형, 즉 숙체를 해치지 않으면서 박테리아를 죽여야 하는 필요성을 강조합니다. 연구는 파지 디스플레이라는 낚시 방법과 어떤 서열이 작동할지 예측하는 컴퓨터 도구를 결합하는 것이 새로운 치료법의 발견을 가속화할 수 있다는 결론을 내렸습니다. 혼합 박테리아 배양에서 펩타이드를 테스트하고 이들을 서로 연결하는 실험을 함으로써, 연구팀은 저항성 박테리아에 맞설 새로운 무기를 만드는 유연한 접근 방식을 입증했으며, 이는 가금류를 보호하고 나아가 인류의 건강을 지키는 잠재적인 경로를 제시합니다.
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