정정민·조홍백 교수 공동 연구팀, 외막 통로 막는 단백질성 마개 발견
초저온 전자현미경으로 3차원 복합체 구조 고분해능 시각화 성공
가톨릭대학교는 최근 정정민 생명공학과 교수 연구팀이 조홍백 성균관대학교 생명과학과 교수 연구팀과 함께 대표적인 슈퍼박테리아인 녹농균이 외부 항생제 유입을 스스로 차단하는 분자 기전을 규명했다고 10일 밝혔다.
병원 내 감염, 폐렴, 패혈증 등을 일으키는 녹농균은 단단한 외막 방어벽을 지녀 항생제 치료가 까다로운 그람음성 병원성 세균이다.
녹농균은 감염 과정에서 표면 부착과 운동성에 관여하는 선모를 조립하기 위해 외막에 'PilQ secretin'이라는 대형 단백질 통로를 형성한다. 그러나 이러한 외막 통로는 조립 상태가 불완전하거나 내막 복합체와 제대로 연결되지 않을 경우 항생제 등 외부 물질이 유입될 수 있다. 세균이 선모 조립에 필요한 외막 통로를 유지하면서도 외막 장벽의 손상을 어떻게 방지하는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다.
공동 연구팀은 이 모순을 해결할 핵심 열쇠로 통로를 밀봉하는 단백질성 마개를 발견했다. 연구 결과 'SlkA'와 'SlkB'라는 두 단백질이 PilQ 채널 내부에 결합해 마개처럼 통로를 물리적으로 차단한다는 사실을 규명했다. 실제로 SlkA·SlkB가 없을 경우, 특히 선모 조립이 제대로 진행되지 않는 상황에서 PilQ 통로를 통한 항생제 유입이 증가하고 녹농균이 항생제에 더 취약해지는 것으로 나타났다.
정 교수팀은 첨단 바이오 장비인 초저온 전자현미경을 활용해 SlkA·SlkB 단백질이 PilQ 채널 내부에 결합한 3차원 복합체 구조를 고분해능으로 시각화하는 데 성공했다. 학계에서는 PilQ 채널 자체의 구조적 게이트가 유입을 막을 것이라 추정했으나 이번 연구를 통해 별도의 단백질성 마개가 PilQ 채널 내부를 점유해 외막 방어 기능을 보완한다는 메커니즘을 입증했다.
그뿐만 아니라 항생제 내성 세균의 방어 기전을 유전자 수준을 넘어 단백질 복합체의 3차원 구조와 세포 내 기능을 연결해 다층적으로 규명했다는 점에서 차별성을 지닌다. 연구진이 찾아낸 단백질성 마개와 PilQ 채널의 결합 부위는 향후 항생제 침투를 극대화하는 항생제 보조제 개발의 새로운 표적이 될 것으로 기대된다.
정 교수는 "전 세계적인 보건 과제인 슈퍼박테리아 감염을 제어할 수 있는 치료 전략의 기초 지식을 구조생물학 수준에서 증명했다"며 "앞으로도 세포 환경 내에서 세균 외막 통로의 개폐 기전을 추가로 규명하고 항생제 내성 극복을 위한 후보 물질 탐색 등 후속 연구에 박차를 가할 것"이라고 말했다.
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한편 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구의 지원을 받아 수행됐으며, 가톨릭대와 성균관대 외에도 △미국 하버드 의대 △미시간대 △벨기에 루뱅카톨릭대 등이 참여했다. 연구 결과는 생명과학 분야 국제학술지인 'Nature Communications'(IF=15.7)에 게재됐다.
