항생제 내성균의 위협
WHO에 따르면, 전 세계적으로 매년 항생제 내성 박테리아로 인해 500만 명에 가까운 사람이 사망하고 있으며, 이 상황을 해결할 수 있는 잠재적인 약물을 찾는 것이 매우 시급합니다.
생명공학 선구자 세사르 데 라 푸엔테가 이끄는 팀은 인공지능(AI) 기반 계산 방법을 사용하여 네안데르탈인과 같은 멸종된 인류 친척의 유전적 특성을 발굴하고, 4만 년 전의 항생제를 복원하고 있습니다.
네안데르탈인의 멸종된 인간 모델. 사진: 게티
과학자들은 연구를 통해 박테리아와 싸울 수 있는 능력을 가진 여러 개의 작은 단백질이나 펩타이드 분자를 발견했는데, 이는 인간의 감염과 싸우기 위한 새로운 약물의 길을 열 수 있습니다.
항생제(예: 페니실린)는 자연적으로(다른 항균 미생물에 의해) 생성되는 반면, 비항생제 항미생물(예: 설폰아마이드 및 방부제)은 완전히 합성된 항미생물입니다.
그러나 두 유형 모두 미생물의 성장을 죽이거나 막는다는 동일한 목표를 공유하며, 둘 다 항균 화학 요법의 범주에 속합니다. 항균제에는 방부제, 항균 비누, 화학 세제가 포함됩니다. 항생제는 의학에서 특히 사용되고 때로는 동물 사료에도 사용되는 중요한 항균제입니다.
항생제는 감기나 독감 등의 질병을 일으키는 바이러스에는 효과가 없습니다. 바이러스를 억제하는 약물은 항생제가 아니라 항바이러스제 또는 항바이러스제라고 합니다.
"이것은 우리가 새로운 시퀀스, 살아있는 유기체에서 발견되지 않은 새로운 유형의 분자를 발견할 수 있게 해주어 분자 다양성에 대해 더 광범위하게 생각할 수 있게 해줍니다."라고 연구팀을 이끈 펜실베이니아 대학(미국)의 세사르 데 라 푸엔테 박사가 말했습니다. "오늘날 박테리아는 이런 새로운 분자에 노출된 적이 없으므로, 현재 치료하기 어려운 병원균을 다루는 좋은 기회가 될 수 있습니다."
전문가들은 항생제 내성 박테리아 문제에 대한 새로운 발견이 시급히 필요하다고 말한다. "세계는 항생제 내성 위기에 직면해 있습니다... 미래를 위한 잠재적 해결책을 찾기 위해 과거로 돌아가야 한다면, 저는 전적으로 찬성합니다." 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 분자, 세포 및 발달 생물학 교수인 마이클 마한의 말이다.
"쥬라기 공원"의 제안
대부분의 항생제는 토양에 사는 미생물을 조사하여 발견한 미생물과 진균에서 유래합니다. 하지만 최근 수십 년 동안 항생제의 과도한 사용으로 인해 병원균이 항생제에 대한 내성을 키우게 되었습니다.
지난 10년 동안 De la Fuente는 계산적 방법을 사용하여 다양한 펩타이드의 항생제 대체제로서의 잠재력을 평가했습니다. 어느 날 연구실에서 갑자기 블록버스터 영화 '쥬라기 공원'에 대한 이야기가 나왔고, 과학자 팀에게 멸종된 분자를 연구해보자는 생각이 떠올랐습니다. 그는 "과거의 분자들을 다시 가져오는 건 어떨까?"라고 말했다.
연구팀은 이전에 알려지지 않았던 펩타이드를 찾기 위해 AI 알고리즘을 훈련해 인간 단백질에서 항균 활성이 있을 수 있는 단편화된 부위를 인식하도록 했습니다. 그런 다음 과학자들은 이를 현대인(호모 사피엔스), 네안데르탈인(호모 네안데르탈렌시스) 및 데니소바인의 공개적으로 이용 가능한 단백질 서열에 적용했습니다. 데니소바인은 네안데르탈인과 가까운 고대 인류 종입니다.
그런 다음 연구팀은 이전의 항균 펩타이드의 특성을 사용하여 어떤 고대 펩타이드가 박테리아를 죽일 가능성이 가장 높은지를 예측했습니다.
다음으로, 연구팀은 가장 유망한 69개의 펩타이드를 합성하여 테스트하여 박테리아를 죽일 수 있는지 확인했습니다. 연구팀은 현대인 4명, 네안데르탈인 1명, 데니소바인 1명을 포함해 가장 강력한 6명을 선정했습니다.
연구진은 이들을 인간의 병원 감염을 일으키는 일반적인 원인인 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) 박테리아에 감염된 쥐에 노출시켰습니다. (병원 감염은 환자가 입원 시에는 없었던 감염이 병원에서 치료를 받는 동안 발생하는 것을 말합니다.)
펜실베이니아 대학의 생명공학 선구자 세사르 데 라 푸엔테는 알고리즘에 의해 선정된 6개의 펩타이드 중 네안데르탈인의 펩타이드 하나가 박테리아에 감염된 쥐에서 병원균과 싸우는 데 가장 효과적이었다고 말합니다. (사진: 펜실베이니아 대학교)
"제 생각에 가장 흥미로운 순간 중 하나는 실험실에서 분자를 화학적으로 재구성한 다음 처음으로 다시 살아나게 했을 때였습니다. "과학적인 관점에서 그 순간을 목격하는 것은 놀라운 일이었습니다."라고 De la Fuente는 말했습니다.
실험 결과에 따르면, 피부 농양이 생긴 감염된 쥐에서 펩타이드는 박테리아를 적극적으로 죽였습니다. 허벅지 감염이 있는 쥐의 경우 펩타이드는 덜 효과적이었지만 여전히 박테리아 성장을 막았습니다.
"가장 좋은 펩타이드는 네안데르탈인에서 유래한 네안데르탈 1이라고 불리는 펩타이드인데, 이것이 쥐에서 가장 잘 작동하는 펩타이드였습니다."라고 De la Fuente는 말했습니다.
추가 연구가 필요합니다
그러나 델라푸엔테 씨는 어떤 펩타이드도 "항생제로 사용할 준비가 되어 있지 않다"며 대신 많은 조정이 필요하다고 강조했습니다. 내년에 출판될 예정인 연구에서 그와 동료들은 자세한 유전 정보를 바탕으로 208종의 멸종된 유기체의 단백질 서열을 탐색하는 새로운 딥러닝 모델을 개발했습니다.
연구팀은 멸종된 생물에서만 발견되는 이전에 발견되지 않았던 잠재적인 항균 펩타이드를 11,000개 이상 찾아냈고, 시베리아 털매머드, 스텔러바다소(18세기에 북극에서의 사냥으로 멸종된 해양 포유류), 거대나무늘보, 거대 아일랜드사슴(메갈로세로스 기간테우스)으로부터 가장 유망한 펩타이드를 합성했습니다. 그는 새로 발견된 펩타이드는 쥐에게 "뛰어난 항감염 활동"을 보였다고 말했다.
영국의 존 이네스 센터 팀장인 드미트리 길라로프 박사는 새로운 항생제를 찾는 데 있어 병목 현상은 항생제가 불안정하고 합성하기 어렵다는 점이라고 말했습니다. 길라로프는 "독성과 같은 어려움 때문에 업계에서 개발 및 추진되지 않는 펩타이드 항생제가 많이 있습니다."라고 말했습니다.
2021년 5월에 발표된 논문에 따르면, 연구자들이 발견한 10,000개의 유망한 화합물 중에서 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받은 항생제는 1~2개에 불과합니다.
조지 메이슨 대학교(미국) 시스템 생물학 대학의 교수이자 연구 부소장인 모니크 반 호크 박사는 자연에서 발견된 펩타이드가 새로운 약물이나 기타 새로운 항생제로 직접 이어지는 경우는 매우 드물다고 말했습니다.
반 호크에 따르면, 새로운 펩타이드의 발견은 연구자들이 계산 기술을 사용하여 이 펩타이드의 새로운 항생제로서의 잠재력을 탐구하고 최적화할 수 있는 토대를 마련해 줄 것이라고 한다.
반 호크는 현재 미국악어에서 발견되는 천연 펩타이드에서 파생된 합성 펩타이드에 대한 연구에 집중하고 있습니다. 이 펩타이드는 현재 전임상 시험을 진행하고 있습니다.
멸종된 악어나 인간으로부터 새로운 항생제를 얻는 것이 이상하게 보일 수 있지만, 항생제 내성 박테리아의 심각성을 고려하면 이런 연구는 가치 있는 일이라고 반 후크는 말한다.
호아이 푸옹 (CNN에 따르면)
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