KBSI, 거머리 유래 천연 항생물질 ‘히루니핀2’ 발굴 3차원 홀로토모그래피 기술 이용 항바이오필름 활성 실시간 확인
한국기초과학지원연구원의 천연물 유래 신규 항생물질 히루니핀2 발굴 연구를 게재한 '어드벤스드 사이언스'. 한국기초과학지원연구원
한국기초과학지원연구원(KBSI)이 슈퍼박테리아 치료에 유용한 신규 항균 펩타이드를 발굴했다. 슈퍼박테리아는 기존 항생제에 내성을 가진 고위험성 세균으로 새로운 치료물질 개발이 시급하다.
KBSI 호남권센터의 이성수 박사팀은 조선대 의대, 충북대 생물학과와 공동연구로 3차원 홀로토모그래피 기술을 이용해 살아 있는 슈퍼박테리아의 항균 및 항바이오필름 활성을 실시간으로 확인했다고 25일 밝혔다.
항바이오필름은 다제 내성균을 포함한 세균이 형성하는 보호막을 분해하거나 형성을 방해해 감염 치료와 항균제 개발에 중요한 역할을 한다.
공동연구팀은 굴절률 정보 기반 정량 정보를 활용한 3차원 홀로토모그래피 기술로 거머리 유래 천연 항생물질 ‘히루니핀2’를 발굴하고 항균 및 항바이오필름 효과를 검증해 신규 내성균 치료제의 가능성을 입증했다.
(위)참거머리 침샘 등의 전사체 분석부터 ODT-HTS를 통한 검증까지 히루니핀2 발굴 과정. (아래)항균, 항바이오 필름, 항염증 활성 확인과 기존 항생제와의 병용 처리에 대한 시너지 확인으로 신규 항생물질 효능을 직접 규명했다. 한국기초과학지원연구원
기존의 3차원 홀로토모그래피 기술은 박테리아를 추적해 항균 기전을 분석하는 이미징 기법으로, 한 번의 실험에서 단일 물질에 대한 실시간 분석만 가능했다.
이에 공동연구팀은 다량의 샘플을 동시 분석할 수 있는 ODT 고속 대량 스크리닝(ODT-HTS) 기술을 도입했다.
ODT-HTS는 3차원 홀로토모그래피 기술을 활용해 미지의 펩타이드 후보들의 항균작용 기작을 실시간 분석, 신약 개발과 고효율 스크리닝 기술로의 확장 가능성을 제시해 기존 형광 염색법보다 빠르고 간단하게 살아있는 세포의 구조변화와 막 투과성, 생물막 형성 등의 물리적 변화를 고해상도로 시각화할 수 있다.
이를 통해 연구팀은 신규 항생물질 발굴부터 항균효과 검증까지 이미징 정량분석과 항바이오필름 효과까지 실시간 분석해 슈퍼박테리아에 대한 작용 기전을 폭넓게 규명했다.
특히 약용 참거머리의 침샘 전사체 데이터베이스를 인공지능(AI)으로 예측 분석해 항균 펩타이드의 구조 안정성, 항균 및 항염증 특성 등을 평가, 19개 신규 천연항생물질 후보를 발굴했다.
이어 ODT-HTS 분석으로 실제 항균 효과를 입증한 최종 후보 3개를 선별해 항균 및 항바이오필름 활성을 추가 확인했다.
이를 통해 최종 발굴한 히루니핀2는 강력한 항균 효과로 슈퍼박테리아 치료제로서의 잠재력이 있음을 입증했다.
3차원 홀로토모그래피 현미경을 통한 히루니핀2 처리 후 슈퍼박테리아에 의해 생성되는 바이오필름의 생성 저해 현상의 검증 및 규명. 한국기초과학지원연구원
아울러 이 박사팀은 ODT-HTS 기술을 활용해 슈퍼박테리아가 생성하는 바이오필름의 실시간 성장을 무표지 3차원 홀로토모그래피 이미징으로 관찰했다.
또 굴절률, 부피, 질량 등 정량 변화를 분석해 히루니핀2가 바이오필름을 파괴하는 과정을 실시간으로 확인, 신규 항생제로서의 가능성을 제시했다.
이 박사는 “이번 연구는 국내 천연자원 데이터베이스와 국산 3차원 홀로토모그래피 기술을 결합해 내성균 치료제 개발 가능성을 제시한 독창적인 연구”라며 “향후 신규 항생제 개발과 슈퍼박테리아 연구에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 과학기술사업화진흥원 국산연구장비기술경쟁력강화사업 국산 3D 홀로토모그래피 활용 유해인자 분석 혁신기술개발 및 상용화, KBSI 분석과학 특성화 연구사업으로 수행됐고, 연구결과는 국제학술지 ‘어드벤스드 사이언스’ 지난 13일 온라인판에 게재됐다. (논문명: Novel Leech Antimicrobial Peptides, Hirunipins: Real-Time 3D Monitoring of Antimicrobial and Antibiofilm Mechanisms Using Optical Diffraction Tomography) [IF=14.3, 조선대 Kumar(공동제1저자), KBSI 박정원(공동제1저자), 조선대 Naveen(공동제1저자), 충북대 Aryal(공동제1저자), KBSI 이성수(공동교신저자), 조선대 신송엽(공동교신저자), 충북대 조성진(공동교신저자)]
