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뉴스 생명과학
진저롤 유도체로 생물막 형성 억제 기술 개발
Bio통신원(한국연구재단)
생강에서 유래한 유효성분의 구조를 바꿔 새로운 생물막 저해제로 이용하려는 시도가 나왔다.
한국연구재단은 변영주 교수(고려대 약학과) 연구팀이 박희등 교수(고려대 건축사회환경공학부) 연구팀과 함께 생강의 유효성분 중 하나인 6-진저롤 구조를 변형하여 녹농균의 생물막 형성을 억제할 수 있는 유도체를 개발했다고 밝혔다.
생물막*이 의료기기, 인체조직, 수도관, 수처리 필터 등 다양한 표면에 형성되면 감염, 오염, 부식 등의 문제를 발생시킨다. 생물막 억제를 위해 항미생물제가 주로 사용되지만 미생물 내성이나 인체 독성을 유발할 수 있어 고농도 사용이나 지속 사용은 제한된다.
* 생물막(biofilm) : 미생물이 다양한 표면에 붙어 형성된 막 형태의 구조물로 끈적끈적한 분비물에 둘러싸인 미생물 군집이다.
연구팀은 생강에서 유래한 6-진저롤* 유도체가 생물막 형성에 관여하는 정족수 인식* 기작을 방해하여 고효율의 생물막 형성 억제 효과를 지속할 수 있음을 알아냈다.
* 6-진저롤(6-Gingerol) : 생강의 주요 성분. 생강 특유의 맛과 향의 원인이 된다.
* 정족수 인식(Quorum sensing) : 세포 간 신호전달 기전으로, 세포 밀도에 의해 증가된 신호물질을 인식하여 생물막 형성을 포함한 분화, 증식, 독성물질 생산 등의 생리적인 변화를 유도한다.
6-진저롤 유도체가 녹농균* 생물막 형성에 관여하는 정족수 인식 수용체 중 하나인 RhlR 단백질에 강하게 결합하여 생물막 형성을 억제한 것이다.
* 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) : 생물막 형성에 관여하는 대표 미생물로, 토양, 물, 피부 등 다양한 환경에서 발견된다.
6-진저롤 유도체는 미생물에 독성이 없으며, 생물막 형성을 74% 억제시켰다. 또한, 녹농균의 독성인자를 감소시켜 녹농균에 감염된 밀웜*의 생존률을 2.7배 증가시키는 효과를 보였다.
*밀웜(Mealworm) : 딱정벌레목 거저리과에 속하는 애벌레로 세균감염 실험에 사용되는 곤충모델이다.
연구팀은 대량으로 합성할 수 있는 6-진저롤 유도체를 항생제와 병용투여할 경우 항생제의 용량을 낮출 수 있을 것으로 기대하고 있다.
생강이라는 천연물질에서 유래한 유도체로, 다양한 산업현장 에서 발생하는 막힘, 오염 방지에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
교육부 중점연구소 사업, 과학기술정보통신부 중견연구자사업 및 환경부 환경기술개발사업의 지원으로 수행된 이 연구의 성과는 의약화학 분야 국제학술지 저널 오브 메디시날 케미스트리(Journal of Medicinal Chemistry)에 7월 22일 온라인판에 게재되었다.
주요내용 설명
<작성자 : 고려대학교 변영주 교수>
논문명
Discovery and characterization of pure RhlR antagonists against Pseudomonas aeruginosa infections
저 자
남상진 석사 (공동 제1저자, 고려대), 함소영 박사 (공동 제1저자, 고려대), 권홍목 석박사통합과정 (공동저자, 고려대), 김한신 박사 (공동저자, 한국건설기술연구원), 문수현 학사과정 (공동저자, 고려대), 이정훈 박사과정 (공동저자, 고려대), 임태형 석사과정 (공동저자, 고려대), 손상현 박사 (공동저자, 고려대), 박희등 교수 (공동 교신저자, 고려대), 변영주 교수 (공동 교신저자, 고려대)
1. 연구의 필요성
○ 생물막*은 의료기기, 인체조직, 수도관, 수처리필터 등 다양한 표면에 형성되어 감염, 오염, 부식 등의 문제를 발생시킨다. 그러나 생물막 억제에 주로 사용되는 항미생물제*는 내성을 지닌 미생물을 발생시키며 인체에 독성을 유발하는 문제가 있어, 항미생물제의 고농도 혹은 지속적인 사용은 제한된다.
* 생물막(Biofilm) : 미생물이 다양한 표면에 붙어 형성된 막 형태의 구조물로 끈적끈적한 분비물에 둘러쌓인 미생물 군집이다.
* 항미생물제(Antimicrobial agents) : 미생물의 생장이나 생존을 억제하는 화합물
○ 이와 같은 항미생물제의 단점을 보완하기 위해 미생물의 성장을 억제 하는 것이 아닌 생물막 형성과정에 관여하여 인체에 무해하고 부작용이 적은 생물막 저해제의 탐색 및 응용이 절실히 요구되고 있다.
○ 공동 연구팀은 생강의 주성분인 6-진저롤이 정족수 인식* 신호 물질과 유사한 구조를 통해 정족수 인식 수용체 결합에 교란을 발생시켜 녹농균* 생물막 형성 저해를 한다는 연구결과를 사이언티픽 리포트에 2015년 보고하였다(Google Scholar 인용수-165회). 하지만 6-진저롤 화학구조와 생물막 형성과의 관계에 대한 실마리는 풀지 못하였다.
* 정족수 인식(Quorum sensing) : 세포 간의 신호전달 기전으로, 세포 밀도에 의해 증가된 신호물질을 인식하여 생물막 형성을 포함한 분화, 증식, 독성물질 생산 등의 생리적인 변화를 유도한다.
* 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) : 생물막 형성에 관여하는 대표 미생물로, 토양, 물, 피부 등 다양한 환경에서 발견된다.
2. 연구내용
○ 6-진저롤 구조의 머리(head), 중간(middle), 꼬리(tail) 부분을 변형한 55종의 유도체를 합성하여, RhlR* 수용체에 대한 결합력 평가를 진행하여 화학구조와 활성과의 상관관계를 확립하였다.
* RhlR : 정족수 인식과 관련된 핵심수용체의 하나로 생물막 형성 및 독성 인자 생성에 기여한다.
○ 다양한 6-진저롤 유도체의 RhlR 결합력 분석을 통해 생물막 저해 물질 후보군을 선정하고, 선정된 후보군에 대하여 생물막 형성 실험, 미생물 생장 실험, RhlR 대표 독성 인자인 람노리피드* 실험 등을 통하여 화합물 30이 가장 효과적인 저해제로 발굴하였다.
* 람노리피드(Rhamnolipid) : 녹농균에 의해 생산된 당지질류로 정족수 인식과 관련된 독성인자로 알려져 있다.
○ 화합물 30은 6-진저롤 페닐 부분의 3‘ 위치의 메톡시기(-OCH3)와 4’ 위치의 수산화기(-OH)를 불소기(-F)로 치환하고, 페닐 잔기와 카보닐 그룹 사이에 삼중결합이 도입한 유도체이다.
○ 화합물 30은 항미생물제와 달리 미생물의 생장에는 영향을 미치지 않으면서, 6-진저롤 뿐만 아니라 기존에 보고된 생물막 저해물질인 N-cyclopentylbutyramide보다 강력한 RhlR 결합력을 통해 녹농균 생물막을 74% 감소시켰다. 또 유체의 흐름이 있는 조건에서도 생물막의 주요성분인 다당류와 단백질을 합성을 저해하는 사실을 밝혔다.
○ 화합물 30은 정족수 인식 관련 독성 인자의 생성을 44 ~ 49% 감소시켰으며, 녹농균을 주입한 밀웜*에 투여 시 생존률이 2.7 배 증가함을 밝혔다.
* 밀웜(Mealworm) : 딱정벌레목 거저리과에 속하는 애벌레로 세균감염 실험에 사용되는 곤충모델이다.
○ 화합물 30은 rhl 관련 대표 독성 유전자인 rhlA의 발현을 79% 감소시켰으며, 결합물질을 만들지 못하는 돌연변이를 이용해 이와 같은 합성 화합물 30의 생물막 형성 저해 기전은 정족수 인식 교란 효과에 의한 것임을 규명하였다.
3. 연구성과/기대효과
○ 6-진저롤 유도체는 미생물 생장에 영향을 미치지 않으면서 항생제의 근본적인 문제인 저항성 세균의 번식을 방지할 수 있다. 또한, 항생제와 조합하여 처방할 경우 항생제의 역가를 높일 수 있어 낮은 농도의 항생제를 사용하여 세균 감염을 치료하는데 도움이 될 수 있다.
○ 6-진저롤 유도체를 정수 필터, 산업용 정수기, 수도관 등에 응용할 경우 막힘 현상을 현저하게 줄일 수 있다. 특히 수처리 분리막에 응용할 경우 살균제와 달리 분리막에 손상 없이 지속적인 사용이 가능하다.
○ 이번에 발굴한 6-진저롤 유도체는 대량합성이 가능하여 천연물의 단점인 높은 단가를 보완할 뿐만 아니라 의약학 및 공학 분야에 다양하게 적용이 가능할 것으로 예측된다.
(그림1) 6-진저롤 유도체인 화합물 30에 의한 녹농균의 생물막 형성 억제 메커니즘
6-진저롤의 구조를 변경시킨 화합물 30이 녹농균의 생물막과 독성 인자에 미치는 영향에 대한 메커니즘이다. 화합물 30은 rhl 관련 유전자의 발현을 억제시켜 생물막 형성과 독성 인자 생성을 억제한다.
제공 : 고려대학교, 변영주 교수
(그림2) 화합물 30에 의한 생물막 형성 및 독성인자 생성 억제 효과
6-진저롤 유도체인 화합물 30을 처리하였을 경우, 대조군에 비해 74% 생물막 형성 억제 효과를 보였다(왼쪽). 독성인자 생성 감소를 통해 녹농균에 감염된 밀웜의 생존률을 2.7배 향상시켰다(오른쪽).
제공 : 고려대학교 변영주 교수
연구 이야기
<작성자 : 고려대학교 함소영 박사>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
2015년 사이언티픽 리포트에 6-진저롤이 녹농균의 생물막 형성을 억제시킨다는 것을 밝혔지만, 6-진저롤의 구조가 생물막 형성에 미치는 영향에 대해서는 항상 궁금증으로 남아있었다. 이러한 상황에서 연구팀은 6-진저롤의 구조를 변형시킨 다양한 유도체를 합성할 수 있었으며, 합성된 유도체의 생물막 저해 메커니즘을 규명하고 의약학 및 공학 분야의 응용을 기대하며 연구를 시작하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
변영주 교수팀은 6-진저롤 유도체의 설계 및 합성을 담당하고, 박희등 교수팀은 화합물의 활성 평가를 담당하였다. 캠퍼스가 세종과 서울이라서 물리적인 거리가 있어서 어려움을 겪었지만, 정기적인 미팅과 수시로 이메일과 전화로 연구의 문제점을 논의하였다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
고려대 연구팀은 유도체를 합성하기 전 모델링을 통해 6-진저롤 구조 변경에 대한 결과를 예측하였지만, 실제 유도체를 합성하여 구조를 규명하는 데에 어려움을 겪었다. 이러한 상황을 극복하기 위해 본 연구팀은 끊임없는 도전을 하였으며, 마침내 55개의 다양한 유도체를 합성하고 생물막 저해 활성을 평가할 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존에는 정족수 인식 수용체 중 LasR을 표적으로 생물막 저해제가 주로 개발되었다. 하지만 이번 연구를 통해 LasR이 아닌 RhlR을 표적으로 신규 생물막 저해물질을 발굴하였으며, 기존에 보고된 물질보다도 향상된 생물막 형성 및 독성인자 생성 억제 효과도 얻을 수 있었다. 녹농균에 의한 만성감염에는 LasR이 아닌 RhlR이 생물막 형성의 주요 원인으로 알려진 만큼, 이번에 발굴한 6-진저롤 유도체는 녹농균 감염 치료제로 응용이 가능할 것으로 예상된다.
또한, 생화학 반응의 구조적인 해석은 신약개발을 위한 중요한 요소지만, 현재까지 명확히 규명된 구조적인 생화학 반응은 거의 없었다. 이번 연구를 통해 밝혀진 화합물의 구조와 생물막 형성과의 상관관계는 메커니즘 분석을 통해 다양한 용도로 활용할 수 있는 기반을 마련하였다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
이번 연구를 통해 개발된 6-진저롤 유도체의 뛰어난 생물막 형성 및 독성 인자 생성 억제 능력은 실용화에 적합한 것으로 판단된다. 6-진저롤 유도체를 의약학 및 공학 분야에 적용시키기 위해 유도체를 특정 표면에 부착시키거나 기존 항생제와의 병용 투여를 통한 시너지 실험을 통하여 의약학 분야에서 실용화하는 후속실험을 진행하고 있다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
이번 연구를 통해 6-진저롤 유도체의 의약학 및 공학 분야의 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 앞으로는 6-진저롤 유도체를 실용화하기 위해서 유도체 합성 방법 개선과 구조 최적화을 통하여 실용화 연구를 진행할 예정이다.
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
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