새로운 약물을 찾기 위하여 이용하는 세균들의 ‘파이트 클럽’
자연계에서 효과적인 신약 후보 물질을 찾기 위해서는 세균들의 ‘파이트 클럽(fight clubs)’을 만들어 주어야 한다는 것이 미국 반더빌트대학의 화학자들이 낸 결론이다. 이러한 조건에서 세균들이 2차 대사산물이라는 활성 화학물질을 생산할 수 있다고 한다. 2차 대사 산물은 세균들이 자신은 보호하고 적은 공격하기 위하여 생산하는 물질로서 새로운 약물 개발에서 주요 공급원 역할을 하게 된다. 실제로 지금까지 상용화된 여러 항생제와 함암제들도 이들 2차 대사산물이나 그 유도체들이다. 동대학 화학과 교수인 Brian Bachmann과 John McLean이 주도한 이번 원리 증명 시험에서 항암 활성을 나타내는 유망 천연 물질들이 발견되었다고 한다. 이번 연구 결과는 ‘ACS Chemical Biology’에 논문으로 발표되었다.
세균은 생물학적 활성을 갖는 물질들의 광대한 미개척 저장소로 여겨지고 있다. 일반적으로 비옥한 토양 1g 속에는 1억~10억 개의 세균들이 있고, 인간의 내장 속에도 100조에 이르는 세균들이 있다. 지구를 통틀어서 계산하면 숫자를 헤아릴 수 없을 정도의 엄청난 세균들이 존재한다. 현재까지 확인된 것만으로도 12만~15만 개의 특징적인 세균 종들이 있다고 한다. 미생물의 유전체 분석에서는 개별 세균이 수백 종의 2차 대사산물을 생산하는 청사진을 갖고 있는 것으로 나타났다. 그러나 생물학자들은 이들 2차 대사산물의 치료 약물로서의 가치를 평가하기 위하여 세균에서 직접 이들 물질을 생산하게 만드는데 어려움을 겪어 왔다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구팀은 파이트 클럽 방식을 고안하게 되었다고 한다. 연구팀의 Dagmara Derewacz가 세균들이 서로 경쟁할 때에 어떤 일이 발생하는지를 확인할 수 있는 분석 도구를 시도해보자는 아이디어를 처음 냈다고 한다. Bachmann은 “이것은 먼저 쏘고 나중에 물어보는 접근법으로서 기존의 천연물 개발 방식과는 반대”라고 설명했다. 연구팀이 파이트 클럽의 링에 밀어 넣은 첫 번째 세균은 Nocardiopsis라는 토양에서 흔히 발견되는 종이다. 연구팀이 이 세균을 선택한 이유는 유전체 배열의 해독이 완료되었으며, 2차 대사산물을 만들어내는 20종의 유전자 클러스터가 존재하는 것으로 확인되었기 때문이다.
Nocardiopsis가 새로운 물질들을 생산하도록 자극하기 위하여 연구팀은 4종의 격투 상대를 파이크 클럽의 링에 넣어 주었다. 이들은 대장균으로 알려진 유명한 위장관의 세균인 Escherichia coli, 많이 연구된 세균 모델인 Bacillus subtilis, 사람에 감염되면 면역계를 약화시키는 Tsukamurella pulmonis, 탄화수소를 분해하는 Rhodococcus wratislaviensis이다. 연구팀은 Nocoardiopsis와 이들 각각의 격투 상대를 개별적으로 공동 배양시켰으며, 공동 배양에서 얻어지는 산물의 총량이 각각의 종들의 단독 배양에서 얻어진 산물의 합보다 커지는 것을 확인했다. 또한 공동 배양이 단독 배양에서보다 훨씬 다양한 분자들을 생산하는 것도 입증되었다.
McLean 교수와 동료들의 최신 분석화학 기술 덕분에 연구팀은 수천 종의 서로 다른 화학 물질을 동시에 동정할 수 있었다고 한다. 이온 이동 질량 분석(ion mobility-mass spectrometry)이라 불리는 이 새로운 기술은 외부 전기장 하에서 중성 운반 기체를 통과하여 이동하는 속도 차이로 이온을 분리시키고, 이어서 질량 분석기로 분석하는 형태로 이루어진다. 이 기술을 이용하여 연구팀은 질량과 전하의 관련 정보를 통하여 여러 구조적 및 물질적 특성을 확인할 수 있었다고 한다. 연구팀은 세균의 공동 배양에서 2만~5만 개의 서로 다른 물질들이 생성되는 것을 확인했다. 이들 물질들을 크기와 분자량 비율에 따라서 분리했을 때에 단백질, 지질, 당, 기타 대사산물 등의 여러 물질들이 확인되었으며, 약 2,500종의 대사산물도 동정했다고 한다.
일부 세균들은 수십 종의 물질들을 생산하지만 다른 세균들은 수억 종을 생산한다고 한다. 이처럼 여러 물질들이 다양한 농도로 존재하는 것도 큰 기술적인 장애 중 하나이다. 또한 2차 대사 산물들은 일반적으로 미량으로 존재하기 때문에 연구팀은 양이 아니라 품질에 기초하여 이들 물질들을 동정하는 방법에 초점을 맞추게 되었다. 이를 위하여 연구팀이 개발한 새로운 방법이 ‘자기 조직화 대사체학 지도(self-organizing metabolomics maps: SOM)’이다. McLean은 “SOM은 아마존이 자신들의 제품에 대하여 세우는 판매 전략과 유사한 방식을 취하고 있다”고 설명했다.
아마존은 구매자들의 제품 페이지 접속, 구매 이력, 기타 정보들을 취합하여 일정한 패턴 정보를 얻어낸다. 이들 수천만 명의 구매자들 중에서 유사한 패턴을 갖는 사람들을 하나의 그룹으로 묶게 된다. 이렇게 묶인 그룹의 구성원들의 구매 정보에 기초하여 아마존은 같은 그룹의 구성원들이 최근에 구매한 제품을 다른 구성원에게 구입하라고 추천하게 된다. McLean은 “SOM도 유사한 방식을 이용한다. 우리가 갖고 있는 모든 분자들의 데이터에서 패턴을 만들어서 유사한 것을 묶게 된다”고 밝혔다.
이러한 과정에서 연구팀은 Nocoardiopsis가 Rhodococcus wratislaviensis와 공동 배양되었을 때에 생산하는 여러 물질 중 독특한 특성의 물질을 찾아냈다고 한다. 연구팀이 ciromicin이라 명명한 이 물질은 미국 FDA의 승인을 받은 여러 항생제들과 유사한 구조를 갖고 있었다. 그러나 이 물질은 시험관 시험에서 항종양 활성과 세포 사멸 관련 유전자 조절 능력을 입증했다. McLean은 “이전에 우리는 세균들이 2차 대사산물을 생산하도록 만들기 위하여 항생제나 희토류에 피폭시키는 것을 포함하여 여러 다양한 방법을 시도했었다. 그러나 이제 우리는 파이트 클럽 방법으로 훨씬 효과적으로 이를 가능하게 만들었다”고 설명했다.
