박테리아, '초강력 분자 모터'로 내성 확산…작동 원리 규명

미국 연구진이 박테리아가 강력한 분자 모터를 이용해 항생제 내성을 확산시키는 핵심 원리를 규명해 새로운 치료법 개발의 실마리를 제시했다.

인디애나 대학교 연구팀은 다트머스 대학교, 조지아 공과대학교와 공동으로 진행한 연구 결과를 국제학술지 '미국국립과학원회보(PNAS)'에 7월 1일(현지시간) 발표했다고 밝혔다. 매년 전 세계적으로 100만명 이상이 항생제 내성균 감염으로 사망하고 있다.

연구팀은 많은 병원성 박테리아 표면에 있는 '4형 선모(type IV pili)'에 주목했다. 머리카락보다 수천 배 얇은 이 섬유는 갈고리처럼 조직에 달라붙거나, 끈적한 세균 군집인 생물막(biofilm)을 형성하는 데 사용된다. 특히 환경에 있는 다른 박테리아의 항생제 내성 유전자를 낚아채는 '수평적 유전자 전달'의 핵심 도구다.

선모가 내성 유전자를 끌어당기는 과정에는 'PilT'와 'PilU'라는 두 개의 모터 단백질이 필요하다는 것은 알려져 있었지만, 이들이 어떻게 협력하는지는 미스터리였다. 연구팀은 인공지능(AI) 단백질 구조 예측 도구인 '알파폴드 3'를 사용해 이들의 상호작용을 모델링했다.

분석 결과, 두 단백질은 명확한 역할 분담을 하고 있었다. 'PilT'가 전체 모터 시스템을 선모 기계에 고정하는 닻 역할을 하면서 동시에 'PilU'를 제자리에 고정했다. 이후 'PilU'의 독특한 꼬리 부분이 'PilT'를 손잡이처럼 감싸면서 두 모터가 하나의 단위처럼 움직이게 했다.

연구팀은 이 협력 메커니즘을 통해 각 모터가 단독으로 낼 수 있는 힘(약 50피코뉴턴)의 두 배가 넘는 강력한 힘으로 선모를 끌어당길 수 있음을 확인했다. 실제로 실험실에서 두 단백질의 연결 지점을 인위적으로 파괴하자 박테리아는 DNA를 끌어들이지 못했다.

연구의 수석 저자인 안쿠르 달리아 인디애나대 생물학과 교수는 "단순히 두 개의 모터가 있다는 사실보다 이들이 어떻게 물리적으로 상호작용하고 협력하는지가 중요하다"고 설명했다.

이러한 협력 메커니즘은 연구에 사용된 콜레라균(Vibrio cholerae)뿐만 아니라 녹농균(Pseudomonas aeruginosa), 레지오넬라균(Legionella pneumophila) 등 다른 여러 병원성 박테리아에서도 보존된 것으로 나타났다. 이는 해당 전략이 박테리아 생존에 필수적임을 시사한다.

달리아 교수는 "두 모터 단백질의 협력을 방해하는 방법을 찾는다면, 박테리아의 항생제 내성 유전자 확산을 막고 감염을 억제할 새로운 길을 열 수 있을 것"이라고 강조했다.