김병수 교수팀, 새로운 형태의 항생 고분자 시스템 개발

폴리에테르의 구조적 차이에 따른 박테리아와 적혈구 사멸 원인 규명

세계적인 학술지 ‘ACS Nano’ 게재

[사진. 김병수 교수(좌측), 김민성 공동제1저자]

이과대학 화학과 김병수 교수 연구팀은 새로운 형태의 항생 고분자 시스템을 개발했다. 본 연구는 면역 체계의 구성요소 중 하나인 항생 펩타이드를 모사해 그 원리와 메커니즘을 분석하고자 한 연구로, 항생 고분자 연구에 있어 새로운 방향성을 제시했다.

자연계에 존재하는 다양한 유기체들은 스스로를 미생물로부터 보호하기 위한 면역 체계를 갖고 있다. 항생 펩타이드는 면역 체계를 이루는 구성요소로, 많은 양의 양이온성·소수성 아미노산을 함유하고 있어 음이온성을 띠는 박테리아 표면에 달라붙어 선택적으로 파괴할 수 있다. 박테리아가 이를 막기 위해서는 많은 에너지를 소모해 박테리아 외막을 전부 바꿔야 하며, 따라서 내성을 갖기 어렵다. 이에 항생 펩타이드는 항생제 내성을 가진 슈퍼박테리아에 대한 해결책으로서 표면 코팅, 제약, 다른 항생제와의 칵테일 요법 등 다양하게 연구돼 왔다.

그러나 펩타이드는 대량 합성이 용이하지 않으며, 체내에서 단백질 분해 효소에 의해 쉽게 분해돼 다양한 방식으로의 활용이 어렵다는 단점이 있다. 이를 대체할 물질로 항생 고분자가 연구됐으며, 펩타이드 같은 규칙적인 아미노산 배열 없이 소수성, 양이온성 작용기만 도입해 합성된 고분자 또한 충분한 항생 효과를 가지는 것으로 알려져 단량체 비율, 작용기 및 고분자 구조 변경 등 다양한 방식으로 항생 고분자에 대한 연구가 진행돼 왔다.

김병수 교수팀은 이번 연구에서 친수성 작용기를 도입했을 때 생체 적합성, 특히 혈액 적합성을 확인하고자 했다. 연구팀은 높은 친수성과 유연성을 가지는 폴리에테르를 고분자의 주요 사슬로 사용하는 실험을 통해 고분자의 항생 효과와 혈액 적합성이 어떻게 달라지는지를 확인했다.

그 결과 실험에 사용된 항생 고분자는 4종의 그람 음성균, 2종의 그람 음성균에 모두 높은 항생 효과를 보이는 것으로 나타났으며, 양이온성·소수성 단량체 비율을 조정할 경우 높은 혈액 적합성을 가지는 것으로 확인됐다.

또한 이를 분자동역학 시뮬레이션을 통해 검증하는 과정에서 고분자의 미세 구조가 블록 공중합체에 유사해질수록 포유류 세포의 인지질 이중층 내부를 안정화시키는 콜레스테롤과 상호작용하는 정도가 증가하며, 최종적으로는 적혈구 외막을 불안정하게 만들고 결국 파괴한다는 사실을 밝혀낼 수 있었다.

연구팀은 “본 연구를 통해 항생 고분자로 사용할 수 있는 새로운 폴리에테르 시스템을 구축할 수 있었으며, 고분자의 미세 구조가 생체 활성에 영향을 끼치는 원인을 파악함으로써 추후 더욱 효과적이고 정교한 항생 고분자 개발에 큰 도움을 줄 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구 결과는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 저명한 국제 학술지 ACS Nano에 5월 14일 온라인 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Antimicrobial PEGtides: A Modular Poly(ethylene glycol)-Based Peptidomimetic Approach to Combat Bacteria

● 논문주소: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c02644