항균펩타이드 모방 수용성고분자 항생물질 개발

안동준 교수팀 연구결과 바이오 융합과학분야 저명 학술지 ACS Nano 게재

▲ 왼쪽부터 정우혁(공동 제1저자), 안동준 교수(교신저자), 김병수 연세대 교수(교신저자), Robert Mitchell 울산과기대 교수(교신저자)

공과대학 화공생명공학과 및 KU-KIST융합대학원 안동준 교수, 연세대 화학과 김병수 교수, UNIST 생명과학과 Robert J. Mitchell 교수 연구팀은 기존 항생제를 대체하기 위하여 용혈 활성이 낮은 폴리머 기반 항균물질을 개발했다.

과학기술정보통신부 한국연구재단(중견과제) 및 삼성미래기술육성사업의 지원으로 이뤄진 이번 연구 결과는 재료 및 바이오 융합과학분야 세계적인 학술지인 ACS Nano (IF=14.588) 5월호에 온라인 게재됐다.
- 저자정보: 안동준(교신저자, 고려대), 김병수(교신저자, 연세대), Robert J. Mitchell(교신저자, UNIST), 정우혁(공동1저자, 고려대), 김민성(공동1저자, 연세대), 문원식(공동1저자, UNIST)

- 논문명: Antimicrobial PEGtides: A Modular Poly(ethylene glycol)-Based Peptidomimetic Approach to Combat Bacteria
(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c02644)

기존 항생제에 내성이 있는 박테리아는 세계 공중보건에 상당한 위협이 되고 있다. 이러한 내성 문제를 해결하기 위하여 새로운 항생제 개발에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있으며, 그 중 항균펩타이드는 특이한 작용 기작 때문에 이러한 문제를 해결할 수 있는 물질로 각광받고 있다. 하지만 항균펩타이드 같은 경우 경제성이 낮고, 신체 내에 있는 단백질 분해효소에 의해 빠르게 분해되며, 세포막에 직접적으로 작용하는 특성 때문에 인간세포에도 독성을 갖는 문제점으로 인해 상용화에 어려움이 있다. 이를 극복하고자 그 동안 펩타이드의 항균 작용기를 가진 합성고분자화합물을 대체제로 이용하려는 노력들이 있었지만, 고분자화합물의 낮은 용해도의 한계를 극복하지 못하고 있는 상황이다.

연구팀은 폴리에틸렌글리콜(PEG) 물질을 기반으로 항균펩타이드의 작용기 중 항균 역할을 하는 라이신, 류신, 세린(lysine, leucine, serine)을 모방하여 박테리아 사멸 기능이 있는 수용성 합성고분자화합물 개발에 성공했다.

▲ 그림 1. 항균 고분자화합물을 이용한 박테리아 사멸 모식도(좌). 물질의 구조에 따른 효능 분석: 항균성 및 용혈 활성도 측정(우). 25개의 라이신 단량체와 5개의 류신 단량체를 가진 랜덤 공중합체가 박테리아에 대한 선택성이 가장 좋은 것을 확인함.

▲ 그림 2. 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여PEG 기반 화합물의 세균 사멸 기작 분석(상). PEG 기반 화합물의 적혈구에 대한 용혈 기작 분석(하). 시뮬레이션 분석 결과 랜덤 공중합체에서 류신 단량체의 위치가 적혈구 사멸의 큰 영향을 미치는 것을 확인함.

항균 합성고분자화합물의 에폭시 단량체(라이신, 류신, 세린)의 비율 및 첨가 순서를 조절하여 호모, 랜덤 및 블록 공중합체를 합성하였으며 여러 가지 병원성 세균에서 물질의 항균성을 정량적으로 도출했다. 이와 동시에 적혈구 세포에 대한 물질의 독성을 분석하여 선택적으로 병원성 세균을 파괴할 수 있는 고분자화합물을 개발할 수 있었다. 이 결과를 더욱 확장하여, 분자동역학 시뮬레이션을 이용해 고분자의 구조에 따른 효능의 차이를 면밀하게 분석하였으며 물질이 세포막에서의 메카니즘을 성공적으로 분석 제안했다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)