연구자들의 지난 오랜 연구기간 동안의 오력으로 인해 다양한 생물체로부터 기존의 화합물성 항생제와는 다른 작용 기작을 가진 항균 펩타이드가 분리되고 발견되었다. 자연계에서 항균 활성을 나타내는 펩타이드는 세균같은 원핵 생물 뿐만 아니라 인간을 포함한 여러 진행 생물에서도 생산되며, 이 항균 펩타이드들은 대부분의 병원성 진균과 세균에 대해 넓은 작용 범위를 가지고 일부는 바이러스. 암세포에도 작용하나 정상 동물세포에는 비교적 세포 독성이 낮다는 특징이 있다. 많은 연구를 통해 Pleurocidin 펩타이드가 병원성 미생물에 대해 강한 항진균 및 항균 효과를 나타내고 이것은 세포막을 주요 표적 기관으로 한다고 밝혀졌다. 이에 따르면 해양 생물 유해의 항균 펩타이드의 새로운 항생제로의 사용가능성은 높다고 사료된다. 많은 연구를 통해 밝혀딘 이러한 항균 펩타이드의 세포막에 대한 작용 기작은 크게 'toroidal-pore', 'barrel-stave', 'carpet'의 세가지 모델로 구분 가능하다.
<h1>항균 펩타이드 (Antimicrobial peptide)</h1> <h2>생물 면역에 관여하는 항균 펩타이드</h2> <p>지구 상의 수많은 생물체는 그들이 처해진 환경으로부터 스스로를 보호할 수 있는 면역 체계를 가지고 있으며, 병원성 미생물에 대하여 항균활성을 가지는 다양한 생리활성물질을 일차 방어 수단으로 생산함으로써 그들 스스로를 보호하고 있다. 이러한 생물체의 선천적 면역체계는 그 동안 인류에게 수많은 항생제를 제공하였고, 앞으로도 항생 물질뿐만 아니라 다양한 생리활성을 나타내는 물질을 제공할 원천으로 무한한 가능성을 가지고 있다. 지난 30여 년간 이러한 가능성을 토대로 한 많은 연구자들의 노력으로 인해 다양한 생물체로부터 기존의 화합물성 항생제와는 다른 작용 기작을 가진 항균 펩타이드(Antimicrobial peptide, AMP)가 발견되고 분리되었다. 이 항균 펩타이드에 대해서 기존의 화합물성 항생 물질과는 차별화되는 항생제로서의 응용을 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 이러한 연구와 함께 새로운 항생제로서의 항균 펩타이드에 대한 기대가 점차 높아짐에 따라 기하급수적으로 늘어나고 있는 항생제 내성 균주에 대해 항균활성을 나타내는 신규 항균 펩타이드를 개발하기 위한 시도가 계속 이루어지고 있다. 자연계에서 항균 활성을 나타내는 펩타이드는 세균과 같은 원핵 생물에서 뿐만 아니라 인간을 포함한 다양한 진핵 생물에서도 생산되며, 이들 항균 펩타이드들은 대부분의 병원성 세균과 진균에 대해 넓은 작용 범위를 가지며 일부는 암세포, 바이러스에도 작용하나 정상 동물세포에는 비교적 세포 독성이 낮다는 특징이 있다. 구체적으로, 자연에서 유래한 항균 펩타이드는 약 12~50개 정도의 아미노산으로 이루어져 있으며, 주로 양전하를 띠고 양친화적(amphipathic)인 성질을 가진다. 특히 양이온성 항균 펩타이드(Cationic antimicrobial peptide; CAP)는 구조적인 특징에 따라 \( \alpha \)-나선 구조(\( \alpha \)-helix)를 형성하는 펩타이드, 단일 또는 여러 이황화 결합을 포함하는 시스테인들을 포함하는(cysteine-rich) \( \beta \)-병풍 구조(\( \beta \)-sheet)펩타이드, 특정한 아미노산을 포함하는 펩타이드 등과 같이 크게 세 개의 그룹으로 나뉘어진다(Table 1).</p> <h2>연구가 진행된 해양 생물 유래의 항균 펩타이드</h2> <p>본 연구진은 항생제 내성 균주를 포함하는 병원성 미생물에 효과적으로 대응할 수 있는 차세대항생제의 모델로서 최근 몇 년간 해양 생물 유래의 항균 펩타이드를 탐색하고 그들 펩타이드의 병원성 미생물에 대한 항균 활성 및 작용 기작을 검토한 바 있다. 구체적으로 도다리(Pleuronectes americanus) 유래의 Pleurocidin 펩타이드, 개불(Urechis unicinctus) 유래의 Urechistachykinin Ⅰ, Ⅱ 펩타이드, 농어(Hybrid striped bass, Morone saxatilis \( \times \) Morone chrysops) 유래의 Piscidin 1, 2, 3 펩타이드, 그리고 갯지렁이(Arenicola marina) 유래의 Arenicin-1 펩타이드 등이 검토되었다(Table 2). 우선 Pleurocidin 펩타이드는 1997년에 발표된 펩타이드로서 25개의 아미노산으로 이루어져 있으며, \( \alpha \)-나선 구조를 가지는 대표적인 양이온성 펩타이드이다. 수많은 연구를 통하여 Pleurocidin 펩타이드가 병원성 미생물에 대하여 강력한 항균 및 항진균 효과를 나타내며 이것은 세포막(cell plasma membrane)을 주요 표적 기관으로 한다고 밝혀졌다. 기존의 L-형 아미노산(L-Pleurocidin)을 D-형 아미노산(D-Pleurocidin)으로 치환한 이성질체 펩타이드와, 부분적으로 Arginine 및 Serine으로 치환된 유사체 펩타이드 또한 설계 및 합성되었는데 이들 신규 펩타이드는 강력한 항균 활성을 유지하는 동시에 기존의 펩타이드가 가지고 있던 세포 독성 또한 상당히 낮아진 것으로 밝혀짐으로써 펩타이드성 항생제로의 개발 가능성이 제시되었다. 또한 이성질체 간의 항균 활성과 관련된 세균 및 진균에 대한 세포 선택성(cell selectivity)의 원인은 종(species)간 세포막의 조성 차이인 것도 규명되었다. 10개의 아미노산으로 이루어진 비교적 짧은 서열의 Urechistachykin 펩타이드 역시 세포막을 표적 기관으로 하여 항진균 활성을 가진다는 것이 규명되었으며 현재 이들 펩타이드의 유사체 펩타이드에 대한 연구가 진행 중이다. 잘 알려진 \( \alpha \)-나선 구조의 항균 펩타이드인 Piscidin 펩타이드와 관련하여 인체 유해 진균에 대한 항진균 활성 및 작용 기작 또한 검토되었다. 이들 펩타이드는 매우 강력한 항진균 활성을 가지며 이는 많은 항균 펩타이드와 마찬가지로 세포막에 작용함으로써 활성을 나타냄이 밝혀졌다. 기존의 \( \alpha \)-나선 구조와는 다르게 \( \beta \)-병풍 구조를 가지는 것으로 밝혀졌던 21개의 아미노산으로 이루어진 Arenicin-1의 항진균 기작 또한 검토되었다. 2009년에 발표된 논문에 의하면 이 펩타이드는 세포의 에너지 대사(energy metabolism)에 의존적인 동시에 주변의 염의 존재와는 무관하게 진균의 세포막을 효과적으로 붕괴시킴으로써 항진균 활성을 가지는 것으로 밝혀졌다. 현재 이들 펩타이드에 기초한 유사체(analogue) 펩타이드가 설계되었으며 이들의 생물학적 특성을 규명 중에 있다. 따라서 본 결과로 볼 때 해양 생물 유래의 항균 펩타이드의 새로운 항생제로서의 응용가능성이 매우 높다고 생각된다.</p> <h2>항균 펩타이드의 항균 작용 기작</h2> <p>이렇듯 아미노산 서열에 의해 구조가 결정된 다양한 항균 펩타이드를 통해, 항균 펩타이드의 구조는 그들의 항균 활성과 밀접한 관계를 가지는 것으로 알려져 있다. 항균 펩타이드는 여러 다양한 구조에도 불구하고 세포막 혹은 세포막 유사 구조와의 특이적인 결합을 하기에 유리한 양쪽성 형태(amphipathic conformation)를 형성하는 능력을 가진다. 이는 펩타이드가 세포막 지질과 결합하여 이온 투과성 채널 등을 형성함에 따라 세포막의 전위를 변화시키거나 세포막 자체에 막공(pore)을 형성하여 파괴하고, 또 일부는 세포막 내로 들어간 다음 세포 내 기관을 공격하여 세포 기능을 마비시킴으로써 항균 활성을 나타내는 것을 의미한다. 그 동안의 많은 연구를 통해 밝혀진 이러한 항균 펩타이드의 세포막에 대한 작용 기작은 크게 'barrel-stave', 'carpet', 'toroidal-pore'의 세 가지 모델로 구분될 수 있다(Fig. 1). 'Barrel-stave' 모델에서는, 나선 구조를 가진 펩타이드가 축적이 되면서 세포막으로 삽입되고 펩타이드의 소수성(hydrophobic)부분이 지질 이중층의 내부(central lumen)와 결합함으로써 나선형태 펩타이드로 구성된 세포막을 관통하는 원통형 막공이 형성된다. 'Carpet' 모델은, 세포막 표면에 축적된 항균 펩타이드의 양전하를 띠는 부분이 세포막의 음이온성 인지질의 머리 부분과 정전기적인 힘을 통하여 결합함으로써 지질 이중층의 표면을 덮는다. 이 경우, 펩타이드의 농도가 높아지면 펩타이드는 계면활성제(detergent)의 역할을 하여 미셀(micelles)을 형성하므로 세포막 전체가 파괴된다. 'Toroidal-pore' 모델은, 회전 구조의 펩타이드가 세포막으로 침투하여 지질 단층이 구부러지도록 하여 막공을 형성하게 하는 것으로 물리적인 방법으로 세포막의 기능이 상실된다는 이론이다. 이 모델의 경우에는 지질의 극성 머리 부분이 막공의 내부를 형성하게 된다. 한편, 최근에 지금까지 제시된 기작 이외에도 세포의 다른 기관에 작용하여 활성을 나타내는 항균 펩타이드의 또 다른 작용 기작이 밝혀졌다. Arginine 잔기를 많이 포함하는 펩타이드(Arginine-rich peptide)의 경우 진핵 세포에서 세포막뿐만 아니라 핵막도 통과할 수 있으므로 운반체(delivery agent)로 사용되고 있기도 하며, 표적 미생물에서 이러한 펩타이드는 세포막에 대해 영향을 주지 않고 통과하여 세포 내에서 DNA, RNA, 단백질 혹은 세포벽에 직접 결합하거나 이들의 합성을 저해하기도 하며 효소의 활성을 없애는 등 독특한 작용 기작을 가지고 있다. 하지만 이러한 작용 기작에 의한 항균 활성은 세포막에 직접 작용하는 펩타이드의 항균 활성보다 활성을 나타내는 시간이 길다는 단점을 가지고 있다.</p>