한 줌의 흙, 인류 신약의 ‘보물 창고’ 될 수 있는 이유 [핵잼 사이언스]

1943년 미국 럿거스 대학의 셀먼 왁스먼(Selman Waksman) 교수는 실험실 옆 밭의 흙에서 결핵균을 치료하는 항생제 스트렙토마이신(streptomycin)을 발견했다. 이는 토양에 사는 방선균(actinobacteria)의 일종인 스트렙토마이세스 그리세우스(Streptomyces griseus)가 분비한 물질이었다. 이 발견 이후 과학자들은 토양 미생물이 다양한 항생제와 신약의 보고라는 사실을 깨달았다.

하지만 흙 속에 사는 미생물들은 대부분 실험실 환경에서 배양하기 어려워 연구에 큰 어려움이 있었다. 이들은 자연 상태의 복잡한 토양 환경에서만 생존하고 성장하기 때문이다. 이 때문에 인류는 여전히 수많은 토양 미생물의 잠재력을 완전히 탐구하지 못하고 있다.

메타게놈 분석의 혁신: synBNP 기술

록펠러대 숀 브래디(Sean Brady) 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 접근법을 시도했다. 바로 미생물을 직접 배양하는 대신, 토양 샘플에 들어 있는 모든 유전자를 한꺼번에 분석하는 기술인 군유전체학(metagenomics)을 활용한 것이다. 이 기술은 이미 생물학과 의학 분야에서 널리 사용되고 있지만, 한 줌의 흙에 수천 종의 미생물이 존재하기 때문에 방대한 양의 유전 정보를 처리하는 것이 쉽지 않았다.

연구팀은 synBNP(synthetic bioinformatic natural products)라는 혁신적인 기술을 개발해 이 문제를 해결했다. 이 기술은 단 하나의 토양 샘플에서 무려 2조 5000억개에 달하는 염기쌍을 기존 방식보다 훨씬 빠르게 분석할 수 있다. 연구팀은 이 방법으로 연구소 주변의 토양 샘플에서 수백 종의 새로운 미생물을 찾아냈을 뿐 아니라, 두 가지 새로운 항생제 후보 물질까지 발견했다.





항생제 내성을 이겨낼 두 가지 후보 물질

연구팀이 찾아낸 첫 번째 물질은 에루타시딘(erutacidin)이다. 이 물질은 세균의 지질인 카디오리핀(cardiolipin)의 형성을 방해하는 기전을 통해 항생제 내성균을 억제하는 효과를 보였다. 두 번째 물질인 트리진타미신(trigintamicin)은 세균의 단백질 합성 과정에 필수적인 ClpX라는 단백질에 작용하는 새로운 기전을 통해 항생제로서의 가능성을 보여주었다.

단 한 개의 토양 샘플에서 이처럼 수많은 신종 미생물과 항생제 후보 물질이 발견되었다는 사실은 매우 고무적이다. 이는 앞으로 synBNP 기술을 활용해 전 세계의 다양한 토양 샘플을 분석하면 인류가 직면한 가장 큰 보건 위협 중 하나인 항생제 내성에 대한 해결책을 다시 한번 흙 속에서 찾아낼 수 있을 것이라는 희망을 준다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com