병원성 세균만 골라 활성산소 폭탄 터뜨리는 항생 나노로봇
병원성 세균만 골라 활성산소 폭탄 터뜨리는 항생 나노로봇
  • 함예솔
  • 승인 2021.04.13 09:23
  • 조회수 1050
  • 댓글 0
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항생 나노로봇. 출처: AdobeStock
항생 나노로봇. 출처: AdobeStock

인류의 생존을 위협하는 위험 가운데 하나인 항생제 내성박테리아에 대항해 활성산소로 박테리아만 죽이는 나노로봇이 개발됐습니다. 내성발생이 필연적으로 발생하는 기존 항생제의 제균(除菌) 방식과 다른 새로운 방식을 적용, 내성으로부터 자유로운 감염치료제 개발의 실마리가 될 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 'Small'에 게재됐습니다. 

  • 항생제 내성 

항생제가 무력화되는 현상입니다. 주로 항생제에 노출된 세균 가운데 돌연변이를 통해 항생제의 표적이 되는 단백질을 변형시키면서 나타나는 것으로 알려져 있습니다. 

병원성 세균만 골라 터뜨린다

 

성균관대학교 의학과 김경규 교수 연구팀이 성균관대 신소재공학부 이정헌, 서울대학교 식품공학과 유상렬 연구팀과 함께 황색포도상구균에 선택적으로 결합, 외부 전기신호에 반응해 활성산소를 발생시켜 제균을 유도하는 20nm 크기의 나노로봇을 개발했다고 밝혔습니다. 참고로 활성산소는 활성이 크고 불안정하며 높은 에너지를 갖고 있는 산소를 말합니다.

 

실제 연구팀이 피하조직에 내성 황색포도상구균이 감염된 봉와직염 생쥐모델에 나노로봇을 주입하고 전기신호를 가하자, 감염균이 빠르게 사멸되고 염증이 사라지는 것을 관찰했습니다. 황색포도상구균에 감염된 대식세포(동물) 배양액에 나노로봇을 첨가하고 전류를 흘리면 세균의 세포벽에 결합한 나노로봇이 전기자극에 반응해 활성산소를 발생, 세포막을 파괴하는 것을 공초점현미경을 통해 확인했습니다. 

항생나노봇 합성 및 항생제 내성균 감염 생쥐모델 이용한 효과 검증 모식도. 출처: 한국연구재단
항생나노봇 합성 및 항생제 내성균 감염 생쥐모델 이용한 효과 검증 모식도. 출처: 한국연구재단

핵심은 동물세포에 붙지 않고 세균에만 달라붙고, 원하는 때에 활성산소를 발생하는 나노로봇을 설계했다는 겁니다. 세균에 대한 선택성은 박테리오파지가 세균에 기생할 때 필요한 도킹 단백질(엔도라이신)을 철 나노입자에 코팅하여 확보했습니다. 전기자극을 통해 철 나노입자로부터 활성산소 발생을 유도하여  세균사멸의 시간적인 선택성을 부여했습니다. 

 

기존 항생제는 세균이 가진 단백질을 표적하기 때문에 표적 단백질에 돌연변이를 갖는 세균이 적응과정에서 살아남아 필연적으로 내성균이 발생합니다. 세균의 세포막에 결합해 세포막을 손상시키는 기전의 항생제가 있었지만 세포막이 변형된 내성균 발생을 피할 수 없었습니다. 반면 활성산소에 의한 세포막 손상은 단순한 유전자 돌연변이에 의해 극복할 수 없어 내성균이 발생할 가능성이 매우 낮습니다. 

항생나노봇을 이용한 내성황색포도상구균 사멸 검증(생쥐모델) 모식도. 출처: 한국연구재단
항생나노봇을 이용한 내성황색포도상구균 사멸 검증(생쥐모델) 모식도. 출처: 한국연구재단

항생나노로봇은 철나노입자를 실리콘 및 단백질로 코팅하는 한편, 피부미용에 사용되는 낮은 에너지의 전기자극으로 나노로봇을 구동할 수 있도록 해 임상적용 가능성이 높다는 설명입니다. 동물모델에서의 이번 연구가 실용화되려면 생체적합 소재 및 구동방법 최적화 등을 통한 안전성 입증 등이 필요합니다.


##참고자료##


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