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그람 양성 음성 : 박테리아 세포벽과 생로병사의 비밀  

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다제내성 그람음성균 무찌르는 강력한 항생제 개발
의학약학  양병찬 (2018-09-18 09:38)

뇌수막염, 폐렴, 치명적 설사. 항생제 개발자들은 오랫동안 이런 끔찍한 질병들을 치료하느라 애를 먹었다. 왜냐하면 그 원인균인 그람음성균(gram-negative bacteria)이 이중으로 된 세포벽을 갖고 있는데, 그중에서 특히 외막(outer membrane)이 약물의 침투를 완강하게 거부하기 때문이다. 지난 50년 동안 그람음성균에 대항하기 위해 출시된 신약들은, 이미 승인된 기존 약물의 변형이었다. 그러나 그런 계열의 화합물에 대한 내성은 하늘을 찌르고 있는 실정이다.
이제 한 무리의 과학자들이 그런 세균들의 외막을 새로운 방식으로 파괴하는 화합물을 만들어냈다. 머지않아 악동 세균(모든 그람음성 항생제를 무용지물로 만드는 세균)에 감염된 사람들의 생명을 살리는 날이 올 것으로 기대된다.
캘리포니아 주 사우스샌프란시스코에 있는 바이오텍의 선두주자 제넨텍(Genentech)의 피터 스미스(진화생물학)가 이끄는 연구팀은, 아릴로마이신(arylomycin) 계열의 천연화합물로부터 시작했다. 다양한 아릴로마이신은 그람음성균의 외막을 관통할 수 있지만, 표적에 결합하는 데 어려움이 있다. 그 표적은 내막에 박혀 있는 효소(SPase: type I signal peptidase)인데, 내벽과 외벽 사이의 공간쪽으로 돌출해 있다. 그래서 스미스와 동료들은 아릴로마이신의 화학구조를 체계적으로 변형함으로써, 내벽과 외벽 사이의 공간에 쉽게 도달하여 SPase에 결합할 수 있도록 최적화했다.
연구팀이 개발한 G0775라는 분자는, 인간에게 가장 큰 위협이 되는 그람음성균(예: Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Acinetobacter baumannii)을 무찌르는 능력이 500배 이상 강력한 것으로 밝혀졌다. 더욱이 그것은 연구진이 환자들에게서 채취한 49가지 다재내성형(multidrug-resistant form)에 대해서도 강력한 효능을 유지하는 것으로 확인되었다. 예컨대 13가지 항생제에 저항하는 악명 높은 내성 폐렴균(K. pneumoniae)을 이용한 실험에서, G0775는 최후의 일격을 가해 완파하는 것으로 나타났다. 연구진은 이상의 연구결과를 정리하여 9월 12일 《Nature》에 발표했다(참고 2). "우리는 매우 흥분해 있다. 우리는 아릴로마이신 분자에 필요한 변화를 가해, 제대로 된 임무를 수행하게 만들었다"라고 스미스는 말했다.
생쥐를 이용한 실험에서도, G0775는 4가지 그람음성균의 6가지 균주에 감염된 생쥐를 치료하는 것으로 밝혀졌다. 또한 포유류 세포를 이용한 실험에서, G0775는 어떠한 잠재적 독성도 나타내지 않았다. 그러나 새로 개발된 화합물이 항생제로 승인받는 길은 멀고 험난하다. 대형동물을 이용한 실험이나 초기 임상시험에서 효능이 입증되지 않거나, 뒤늦게 독성이 발견되는 사례가 비일비재하기 때문이다.


박테리아 세포벽과 생로병사의 비밀
윤철희 교수 서울대학교 농업생명과학대학 식품동물생명공학부

1. 서 론
박테리아는 Monera계에 속하는 생물로서, 생명체들 중 가장 많이 번성하고 있는 미생물이다. 인체, 동물, 그리고 토양 어느 곳에서나 살고 있는 단세포 생명체인 박테리아는 조건만 맞으면 매 20분마다 분열하며 생존한다. 체내의 특정 균들은 비타민 K를 만들고 장내에서 음식물 소화를 도와준다. 또 다른 균은 요구르트나 김치 같은 발효식품을 만드는데 이용되고, 또 어떤 것들은 오염된 환경을 정화시키고 유해한 균을 통제하는 등 많은 유익한 역할을 수행하기 때문에 우리에게 필수 불가결하다고 할 수 있다. 물론 극히 일부의 병원성균은 감염 시 폐렴과 같은 각종 세균성 질병을 초래하거나 패혈증과 같은 심각한 부작용을 초래하여 숙주가 사망에 이르기도 한다.

2. 박테리아의 세포벽 구성성분
세균은 원핵생물의 특징을 그대로 가지고 있으며 핵막이나 미토콘드리아, 엽록체와 같은 구조를 가지고 있지 않다. 세균의 구조 중 면역학적 관점에서 가장 주목되는 부분이 세포벽인데, 세균의 세포벽은 크기와 형태를 유지하고 삼투압에 의한 세포 파열을 방지하는 역할을 한다. 박테리아는 세포벽의 구성성분을 기준으로 크게 두 가지로 분류를 할 수가 있다.
하나는 지질 다당체(lipopolysaccharide)를 밖에 가지고 있고 세포벽과 세포막 사이에 펩티도글리칸(peptidoglycan)을 가지고 있는 그람 음성균과 다른 하나는 펩티도글리칸과 lipoteichoic acid (LTA)를 가지고 있는 그람양성균으로 나눌 수 있다. 그람양성균의 세포벽은 여러 층의 펩티도글리칸 층이 두껍게 감싸고 있는데 세포벽의 약 80-90%가 펩티도글리칸이다. 반면 그람음성균의 세포벽은 펩티도글리칸 층이 한 겹으로 매우 얇으며
세포벽의 10-20%만을 차지한다. 그람음성균의 세포외벽에는 인지질, 리포폴리사카라이드, 리포프로테인 등으로 구성된 외막이 감싸고 있는 형태로 이루어져있다. 이러한 세포벽 구조의 차이로 인한 그람 염색의 차이는 세균을 분류하는 가장 기본적인 기준이 되며, 이러한 구분은 나아가 살균 또는 정균 약품의 항생물질제제 및 감염예방을 목적으로 하는 백신개발에 있어서 중요한 지표로 사용되어진다

1) 그람양성균과 그람음성균
그람양성균으로는 포도상구균, 연쇄상구균, 폐렴균, 나병균, 디프테리아균, 파상풍균, 탄저균, 방선균 등이 있으며, 이들은 색소나 약제에 대한 감수성이 높고 대사작용에는 아미노산과 비타민을 필요로 한다. 이들 중 일부는 균체외독소를 방출하는데 이 독소의 독작용은 균종에는 강력하지만 가열하게 되면 쉽게 파괴된다. 이 독소는 생체 내에서 항원성이 높고, 이들 항체가 독소와 결합하면 독소 고유의 기능을 없애거나 중화시키는 특이성을 가지고 있다. 그 밖에 외독소에 특정 처리(예를 들어, 포르말린 처리)를 하게 되면 독성이 없어지므로 이들 비활성독소(toxoid)를 사용하여 면역을 유도하면 독소제거용 항체를 다량 생산할 수있게 된다.
유산균도 병원성세균과 유사한 세포벽 구조를 지닌 그람양성균이지만 패혈증을 유도하지 않고, 오히려 유해세균의 체내감염 및 번식을 억제하는 probiotics의 기능을 지닌다. 유산균은 인간이 이용할 수 있는 가장 유익한 미생물의 한 종류로서, 오랜 역사를 두고 발효 유제품을 중심으로 각종 발효식품, 의약품, 가축사료 등 인류생활에 광범위하게 활용 되고 있다.
유산균의 생리적 특징 및 역할로는 장내 유해균 억제 작용 및 정장작용, 혈중 콜레스테롤 감소 기능, 면역증강 작용, 감염억제 작용, 영양학적 가치 증진, 내인성, 간경화 개선 작용, 항암작용, 노화억제 작용, 피부미용효과, 유당불내증 격감 작용 등이 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 유산균의 유용성에도 불구하고 유산균에 대한 연구는 생균의 기능에 관한 것으로 거의 한정되어 있으며, 특히 유산균 세포벽 성분에 의한 면역 활성 신호전달 메커니즘에 관한 연구는 극히 초보단계인 실정이다.
그람음성균은 일반적으로 트리페닐메탄계나 아크리플라빈 색소에 대한 저항력이 강하고 계면활성제에도 내성이 강한 특징을 가진다. 또 생존에 필요한 영양요구가 간단하여 단순한 구성의 배양액에서도 잘 자라며, 독소는 균체내독소로 가열에 의해서도 잘 파괴되지 않는다. 이들 독소 역시 항체 반응을 유도할 수는 있으며, 다양한 범위의 면역성을 나타내는 것으로 알려졌다.

2) 박테리아의 세포벽 구성성분의 역할
박테리아의 세포벽 구성 성분은 인간이나 동물의 체내에서 가장 먼저 인지역할을 하는
부분으로서 면역반응 연구에 필수적으로 요구된다. 그람음성균의 대표적인 면역 활성 요소
인 lipopolysaccharide(LPS)는 세포 표면을 구성하는 물질로서 병원성 세균과 진핵생물간의
상호작용에 아주 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 또한 LPS는 동물과 인간 뿐 아
니라 초파리나 식물에 이르기까지 방어기전을 연구하기 위하여 사용되어지는 중요한 물질이
다. LPS 연구에서 찾아볼 수 있는 재미있는 이론 중 하나는 LPS가 세균 자신의 보호를 위
하여 사용되어진다는 것인데 독성 물질이 세균 내부로 들어오는 것을 차단함으로써 자신의
생명을 지킨다는 것이다. 동물모델이나 인간에서 LPS로 인한 패혈증의 발생 기전은 잘 알
려져 있는데 LPS는 lipid A와 여러 다당류로 구성되어 극미량으로도 강력한 면역활성을 유
도하며, 체내에서 LPS-binding protein (LBP) 및 CD14 수용체와 결합한 후 toll-like
receptor (TLR)4를 활성화시켜 interferon (IFN)-β를 생성한다 (Yun 등, 2006). IFN-β는 세
포수용체와 결합하여 STAT1을 인산화시키고, inducible nitric oxide synthase (iNOS)의 생
산을 유도하여 결국 nitric oxide (NO)를 생성하여 혈관세포의 myosin phosphatase와
potassium channel을 활성화시킴으로써 혈관을 확장시킨다. NO 발생 억제제 투여 시 패혈
증이 감소되고, iNOS가 결핍된 생쥐는 LPS를 주입해도 쇼크가 잘 오지 않는 것으로 보아
NO는 패혈증 쇼크와 밀접한 연관이 있음을 나타내고, 패혈증의 발생 원인으로 생각된다
(Han 등, 2006).
그람양성균은 LPS가 없으며 주요 패혈증 원인임에도 불구하고 그 발생기전이 밝혀지지
않았는데 그람양성균 세포벽 성분으로 LPS처럼 fatty acid로 구성된 lipid 부분과 여러 다당
류가 포함된 lipoteichoic acid (LTA)가 오래전부터 패혈성 쇼크의 유발물질로 알려져 왔다.
그러나 그람양성균 패혈증의 대부분을 차지하는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)과
폐렴쌍구균 (Streptococcus pneumoniae)에서 LTA에 대한 면역반응 연구가 전 세계 연구
자들끼리 일치하지 않아 그람양성균에 의한 패혈성 쇼크(septic shock)의 기전은 큰 논쟁거
리로 남아있는 상황이다. 이처럼 그람양성균에 의한 패혈증 쇼크의 연구에서 결과가 일치하
지 않고 많은 발전을 하지 못했던 이유는 순도 높고 완전한 구조를 갖는 LTA를 확보할 수
없었기 때문이다. 최근 연구결과에 따르면 대부분의 연구자들이 구입하여 사용한 Sigma 제
품의 S. aureus의 LTA는 보통 50여 개에 이르는 반복성 구조내의 D-alanine 잔기도 대부
분 훼손되어 면역반응에서 많은 차이를 나타낸 것이 확인되었다 (표 1, Morath 등, 2002).

3) 다당류 항원의 주요 면역반응
미생물 감염에 의한 면역반응은 선천성면역 (innate immunity)와 획득면역 (acquired
immunity)로 구분된다. 획득면역이 항원에 대한 특이성이 높고 체내에 침입한 미생물들을
매우 효율적으로 제거할 수 있는 반면 제대로 작용하기까지 시간이 필요하다는 단점이 있
다. 이에 반해, 선천성면역은 미생물 감염 초기에 일정 양식의 항원군 (PAMP;
pathogen-associated molecular pattern)을 인지하여 침입한 미생물을 제거하는 동시에,
획득면역을 효율적으로 유발시키는 매개체로서의 기능을 담당한다. 다당류 항원, LTA 및
LPS는 이 PAMP에 해당하는 일반적인 항원으로 toll-like receptor (TLR)을 통해 면역반응
이 유발된다는 사실이 최근 밝혀지면서 면역반응에 대한 연구가 활성화 되게 되었다. 즉,
LTA와 LPS는 binding protein 또는 carrier protein와 결합을 하여 TLR을 활성화 시키고,
TNF-α와 같은 염증유발 싸이토카인 발현을 유도한다. 더욱이, 박테리아 감염이 심각할 경
우, 면역세포의 과민 반응으로 독성이 심한 염증인자(inflammatory factors)들이 과 분비되
고, 여러 장기에 치명적인 손상을 가져와 환자를 사망에 이르게 하는 패혈증 증후군(sepsis
syndrome)에 LPS와 LTA가 결정적인 역할을 한다고 알려지면서, 그 작용기작의 명확한 규
명이 중요한 과제로 인식되고 있다.

 

3. 유해균의 예방을 위한 백신연구

패혈증(sepsis)은 높은 사망률과 심각한 후유증을 동반하여 막대한 인적, 경제적 손실을
초래하는 세균감염 질환으로, 50%이상이 그람양성균에 의해 유발된다고 알려져 있다. 항균
제의 발달 및 치료에도 불구하고 패혈증은 항균제 내성 세균의 증가, 암·면역결핍·당뇨 등
만성질병의 만연으로 오히려 증가하는 추세이며, 전체 병원입원의 2%에 해당할 정도로 그
빈도가 높다. 패혈증의 발생 원인으로 그람양성균이 50%, 그람음성균 30%, 기타 20% 정
도를 차지하며, 극히 일부에서 진균과 바이러스로 인하여 발생하기도 한다. 패혈증은 사이
토카인 폭풍이라 일컬어지는 ‘cytokine storm'을 유도하면서 세포, 기관 및 조직에 손상을
이런 현상은 염증반응이 낮을 때나 높을 때 모든 경우에 유도 되어질 수 있다는 흥미로
운 가설은 면역반응, 좀 더 정확히 표현하면 면역반응을 이용한 조절작용(또는 제어작용)의
발견에 더욱 연구 열기를 고조시켰다. 나아가 패혈증에 의한 면역반응은 apoptosis로 이어
지면서 환자의 상태가 심각해지므로 이에 대한 억제치료가 가능하다면 사망자 수를 줄일 수
있다는 것은 자명한 사실이다. 그림 3 (Hotchkiss 등, 2006)에서 보듯이 apoptosis는 모든
종류의 면역세포(수지상세포, T 세포 및 거식세포 등) 기능을 약화시키므로 세균에 대한 방
어능을 무너뜨리고 체내 방어체계를 교란(예를 들어, 사이토카인 분비를 촉진하는 T helper
2 타입으로의 전변)하게 되므로 이런 현상을 극복할 수 있는 방법 또한 중요한 연구방향이
될 것으로 사료된다. 따라서 최근에는 세균분자의 구조적 분석의 발달, 자세한 숙주반응 및
다양한 수용체의 발견 등의 연구가 활발히 진행 중이다.
앞에서도 이미 언급을 하였지만, 재미있는 현상 중 하나가 유산균도 병원성 세균과 유사
한 세포벽 구조를 지닌 그람양성균이지만 패혈증을 유도하지 않고, 오히려 유해세균의 체내
감염 및 번식을 억제하는 기능을 지닌다. 다시 말해 자연과학의 발달은 우리에게 많은 것을
알 수 있는 자료를 제공하였지만 아직도 우리에게 안겨진 풀리지 않는 숙제는 방대하다고
할 수 있겠다. 이 중 하나가 병원성 세균과 인체에 유익한 유산균에서 LTA를 순수 분리하
여 이들에 의한 특이면역반응과 신호전달체계를 연구한다면 그람양성균에 의한 폐혈증 유도
기전규명 뿐 아니라 가축 및 인간의 백신 개발을 위한 연구에도 많은 도움이 될 것이다. 또
한 유산균과 특히 유산균의 LTA는 염증유발 싸이토카인 발현을 유도하지 않고 병원성세균
의 감염질환을 억제한다는 기초 연구보고가 있으므로, 병원성, 비병원성, 그리고 유익한 미
생물로부터 분리한 LTA들에 대한 면역반응 연구는 관련분야 발전을 위한 중요한 연구자료
로 활용 가능할 것이며, 새로운 향균제 개발로 패혈증의 치료에 큰 도움이 될 것으로 사료
된다.

4. 앞으로의 전망
그람양성균의 세포벽 성분인 lipoteichoic acid (LTA)와 같은 미생물 항원에 대한 순수정
제가 심각한 문제로 대두되고, 순수하게 분리된 항원을 사용하여 이에 대한 면역반응을 재
검증하는 외국의 추세를 볼 때, 우리도 표준화 된 순수정제 기술의 확립을 시급히 도입하여
순수 항원으로 면역반응연구가 진행되어야 경쟁에서 뒤지지 않으리라 생각된다. 패혈증 유
발 그람양성균에서의 LTA 순수분리, 정제 및 분석기술은 미생물 분야에서 활동하는 과학자
및 기업인들에게 꼭 필요한 핵심기술로서 이는 나아가 유사한 다른 균으로부터 고순도의
LTA를 정제하는데도 응용 가능 할 것으로 사료된다.
참고로 해외에서는 독일의 Thomas Hartung 연구팀이 3단계 분리정제공법 (유기용매 →
hydrophobic interaction column chromatography → ion exchange column
chromatography)을 이용해 황색포도상구균에서 LTA를 순수 분리, 정제하여 구조가 손상되
지 않고, 불순물이 거의 없는 LTA (그림 4, Morath 등, 2002) 확보가 가능해짐에 따라 연
구가 활발히 진행 중이다. 최근에는 폐렴구균성 LTA는 황색포도상구균의 LTA와는 완전히
다른 화학적 구조를 가진 것으로 알려지고 있는데, LTA 구조의 차이에 의해 나타나는 면역
자극 효과에 대한 연구 (Draing 등 2006)와 세포의 식세포 반응에서의 LTA의 역할 등에 대
한 연구가 진행 중이다 (Henneke 등, 2005).
국내에서는 서울대학교 치과대학 감염미생물학 연구실의 한승현 교수 팀이 세계적인 수
준의 분리, 정제 뿐 아니라 이와 관련된 연구를 활발히 진행하고 있다 (Kim 등, 2007).
LPS와 LTA의 연구를 통해 얻어지는 미생물 탄수화물 항원의 면역반응 연구 결과는 세균
감염의 예방, 백신 개발 및 치료법 개발에 크게 기여할 것으로 예상된다.