Exploring the therapeutic potential of bacteriocin-producing skin and oral microbiota for combating methicillin-resistant Staphylococcus aureus

인체에는 피부와 입안에 미생물의 거대한 공동체가 살고 있습니다. 미생물군집(microbiota)이라고 알려진 이 공동체는 단순히 수동적인 거주자가 아닙니다. 이들은 혼잡한 환경 속에서 활동적인 경쟁자입니다. 살아남기 위해, 이 작은 유기체들 중 다수는 박테리오신(bacteriocins)이라 불리는 천연 무기를 생성합니다. 이것은 자신의 영토를 위협하는 경쟁 박테리아를 죽이거나 성장을 멈추도록 설계된, 표적 미사일과 같은 역할을 하는 작은 단백질 기반 분자입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이러한 자연적 방어 기제를 새로운 의약품의 잠재적 원천으로 주목해 왔는데, 특히 지난 세기 동안 인류가 의존해 온 항생제에 대해 흔한 박테리아들이 점점 더 강한 내성을 보이고 있기 때문입니다. 이러한 내성 박테리아 중 가장 위험한 것 중 하나는 메티실린 내성 황색포도상구균(methicillin-resistant Staphylococcus aureus), 흔히 MRSA라고 불리는 병원균입니다. 이 병원균은 많은 표준 약물을 무시하기 때문에 치료하기 어려운 심각한 감염을 일으킬 수 있습니다. 이를 물리칠 새로운 방법을 찾는 과정은 연구자들이 우리 몸 위와 안에 살고 있는 바로 그 박테리아를 더 자세히 들여다보게 했으며, 우리의 미생물 이웃 중 일부가 이 위협을 저지할 열쇠를 쥐고 있을지도 모른다는 의문을 갖게 했습니다.

한 연구팀은 이 가능성을 조사하기 위해 건강한 사람들의 피부와 입에 서식하는 박테리아를 조사하는 데 착수했습니다. 그들은 발가락 사이의 습한 부위, 겨드랑이, 오금, 혀, 그리고 잇몸을 포함한 신체의 다양한 부위로부터 샘플을 수집했습니다. 이 샘플들로부터 그들은 수백 개의 서로 다른 박테리아 균주를 분리해 냈습니다. 그들의 목표는 MRSA를 공격할 수 있는 박테리오신을 생성하는 균주를 찾는 것이었습니다. 박테리아를 주의 깊게 테스트한 결과, 이들은 건강한 개인들에게서 발견된 여섯 가지 특정 황색포도상구균 균주가 실제로 이러한 항균 무기를 생성하고 있다는 사실을 발견했습니다. 놀랍게도, 이 여섯 가지 균주는 병원에서 환자로부터 채취한 두 종류의 임상 분리형 MRSA의 성장을 억제할 수 있었습니다. 이 발견은 동일한 종의 박테리아 내에서도 어떤 균주는 자신의 더 위험한 내성 친척들을 죽이는 물질을 생성할 수 있음을 시사합니다.

이러한 천연 무기가 얼마나 유용할 수 있는지 이해하기 위해, 연구진은 다양한 조건 하에서 이들이 얼마나 잘 견디는지 테스트했습니다. 연구진은 박테리아 추출물을 다양한 수준의 산도와 열에 노출시켰는데, 이는 의약품이 인체 내부나 저장 중에 마주칠 수 있는 환경을 모방한 것입니다. 결과에 따르면, 이 박테리오신은 온도가 섭씨 25도에서 30도 사이이고 산도가 중성(특히 pH 6.5에서 7 사이)일 때 안정적이고 활발한 상태를 유지했습니다. 그러나 연구진이 단백질을 분해하는 효소로 추출물을 처리했을 때, 활성도가 크게 떨어졌습니다. 이는 예상대로 활성 성분이 단백질임을 확인시켜 주었으며, 이들이 체내의 다른 단백질을 분해하는 것과 동일한 생물학적 과정에 의해 파괴될 수 있음을 보여주었습니다.

연구팀은 더 큰 규모로 이동하여, 이 여섯 가지 유망한 박테리아 균주를 커다란 탱크에서 배양하여 충분한 양의 박테리오신을 생산했습니다. 그들은 활성 성분을 정제하여 여러 분획(fraction)으로 나누어 가장 강력한 성분을 찾아냈습니다. 정제된 분획들을 MRSA 균주에 대해 테스트했을 때, 몇몇 분획이 박테리아의 성장을 성공적으로 억제한다는 것을 발견했습니다. 박테리아 성장을 멈추는 데 필요한 물질의 양인 최소 억제 농도(minimum inhibitory concentration)는 밀리리터당 약 121.8에서 425 마이크로그램 사이였습니다. 이 수치들은 박테리오신이 효과적이긴 했으나, 균주 간의 차이와 상대하는 특정 MRSA에 따라 그 강도가 달랐음을 나타냅니다.

의학적 활용을 위해 가장 중요한 점은, 연구진이 이 박테리오신이 인간 세포에 안전한지 확인했다는 것입니다. 그들은 전립선, 폐, 대장 조직을 대표하는 세 가지 유형의 인간 암 세포주를 박테리오신 추출물에 노출시켰습니다. 낮은 농도에서 추출물은 인간 세포에 해를 끼친다는 징후를 보이지 않았습니다. 높은 농도에서도 세포에 가해지는 손상은 미미했거나 광범위하고 위험한 독성을 시사하지 않는 방식으로 다양하게 나타났습니다. 이는 매우 중요한 단계로, 이 천연 무기가 보호하고자 하는 선한 인간 세포를 해치지 않으면서 나쁜 박테리아를 죽일 수 있음을 시사하기 때문입니다.

본 연구는 인간의 미생물군집이 새롭고 아직 충분히 활용되지 않은 항균제의 풍부한 원천이라는 결론을 내립니다. 이번 연구에서 확인된 여섯 가지 박테리오신 생성 균주는 실험실 환경에서 약물 내성 MRSA에 맞서 싸울 수 있는 실제적인 능력을 보여주었습니다. 이 작업이 아직 완성된 치료법은 아니지만, 향olog한 연구를 위한 강력한 토대를 제공합니다. 과학자들은 이 발견이 박테리오신이 완전한 생물학적 시스템 내에서 어떻게 행동하는지 확인하기 위한 생체 내(in vivo) 연구로 이어져야 한다고 언급했습니다. 현재로서는, 이 연구가 우리 몸의 자연 방어 기제가 가장 끈질긴 감염 중 하나와 싸우는 데 도움을 줄 수 있다는 희망적인 미래를 보여주고 있습니다.