(The protein PA2854 (shown in red) in Pseudomonas aeruginosa links the outer-membrane protein OprI (shown in blue) to the cell wall (depicted in white), a process that is necessary for the health of the bacterium. Credit: Mobashery Lab)
세균이 항생제 내성을 진화시키는 기전은 다양합니다. 항생제 내성균은 항생제를 분해하는 효소를 만들거나 표적을 변경하거나 혹은 단단한 외피나 생물막으로 자신을 보호해 항생제를 무력화시킵니다. 그람 음상균이 마지막의 대표적인 경우인데, 그람 음성균의 세포벽은 세포막과 외막 사이에 얇은 펩티도글리칸 층이 샌드위치처럼 끼어 있는 복잡한 다층 구조입니다.
가장 밖에 있는 외막 (Outer Membrane)은 지질다당류 (LPS)가 있어 세균의 독소(내독소)로 작용합니다. 물론 벽만 있으면 필요한 물질을 흡수할 수 없으니 작은 영양분이나 이온이 세포 내외로 통과할 수 있도록 돕는 통로도 존재합니다.
외막과 세포막 사이 존재하는 펩티도글리칸 층 (Peptidoglycan)은 세균의 형태를 유지하고 삼투압에 의한 파열을 막아줍니다. 그리고 그 안에는 내부의 세포질을 감싸는 세포막이 존재합니다. 이렇게 복잡한 다층 구조 덕분에 그람 음성균은 항생제에 강한 편입니다.
하지만 이런 복잡한 구조가 어떻게 단단히 결합할 수 있는지는 확실히 알려지지 않은 부분이 있습니다. 노트르담 대학교의 화학 및 생화학과의 샤리아르 모바셰리(Shahriar Mobashery) 생명과학 나바리 석좌교수 연구팀은 그람 음성 세균의 외막이 세포벽에 부착되는 핵심 과정과 이를 통해 항생제 내성을 발달시키는 연구했습니다.
연구팀은 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)에서 이 과정을 연구했습니다. 녹농균은 대장균, 폐렴간균, 살모넬라균을 포함한 다른 그람 음성 세균과 마찬가지로 3중 구조의 생물학적 외피로 둘러싸여 있어 항생제 침투를 막습니다.
연구팀이 초점을 맞춘 부분은 외막이 어떻게 세포벽에 있는 펩티도글리칸에 단단히 고정(Anchoring)되는가를 밝히는 것이었습니다. 그 결과 연구팀은 외막 단백질인 OprI의 83번째 아미노산인 라이신(Lys83)의 측쇄(Side-chain) ϵ-아미노기가 펩티도글리칸의 펩타이드 줄기(Peptide stem)와 화학적으로 단단히 결합한다는 사실을 발견했습니다. 그 결과 OprI 단백질이 화학적 결합을 통해 외막이 세포벽에 '닻(Anchor)'을 내린 듯 단단히 고정되는 것입니다.
더 나아가 연구팀은 이 결합을 가능하게 하는 트랜스펩티다제 효소 단백질인 PA2854도 발견했습니다. 이 단백질은 살아있는 세균뿐만 아니라, 실험실에서 추출한 순수 단백질과 인공 펩티도글리칸을 이용한 실험(in vitro)에서도 동일한 결합 반응을 유발했습니다.
OprI는 3개가 모여 하나의 구조(Trimer)로 길쭉한 나선형 묶음(Helix bundle) 형태로 펩티도글리칸 층에 결합합니다. PA2854 역시 세 개의 도메인(Domain)으로 구성되어 있으며, 각각 세포벽과 OprI 단백질에 결합하여 둘을 이어주는 역할을 합니다.
이 반응은 다른 효소에 의해 대체될 수 없는 독점적이고 필수적인(Non-redundant) 과정입니다. 즉, PA2854가 없으면 세균은 이 결합을 만들어낼 다른 방법을 찾지 못합니다. 따라서 PA2854가 수행하는 이 결합 과정이 차단되면, 세균의 외부 구조(Envelope)는 매우 약해지고 외부 충격에 쉽게 파괴되는 상태가 됩니다.
이런 점을 감안할 때 연구팀은 PA2854가 앞으로 새로운 항생제의 목표가 되거나 혹은 기존의 항생제 효과를 높이는 보조제가 개발에 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다. 앞으로 항생제 내성균에 대한 새로운 돌파구가 여기서 열릴 수 있을지 주목됩니다.
참고
https://phys.org/news/2026-06-bacteria-reveal-protein-antibiotic-resistant.html
Amr M. El-Araby et al, Outer Membrane–Peptidoglycan Anchoring in Pseudomonas aeruginosa, Journal of the American Chemical Society (2026). DOI: 10.1021/jacs.6c03160
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