- 녹농균 외막 대형 통로 막는 ‘마개’ 단백질 발견…항생제 내성 극복 연구의 새 표적 제시

- 초저온 전자현미경(Cryo-EM)으로 단백질성 마개의 3차원 결합 구조 명확히 규명

- 국내 연구진 주도 국제 공동 연구 성과, ‘Nature Communications (IF=15.7)’ 게재

그림 설명: (왼쪽부터) 공동 교신저자인 가톨릭대 생명공학과 정정민 교수, 성균관대 생명과학과 조홍백 교수와 

공동 제1저자인 가톨릭대 생명공학과 권오현 박사·이예슬 석박통합과정생, 기초과학연구원 류범한 박사

 가톨릭대학교(총장 최준규) 생명공학과 정정민 교수팀이 성균관대 생명과학과 조홍백 교수팀과의 공동 연구를 통해 대표적인 슈퍼박테리아인 ‘녹농균’이 외부 항생제 유입을 스스로 차단하는 새로운 분자 기전을 규명하며 난치성 감염병 치료의 새로운 전기를 마련했다.

 병원 내 감염, 폐렴, 패혈증 등을 일으키는 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)은 단단한 외막 방어벽을 지니고 있어 항생제 치료가 극도로 까다로운 대표적인 그람음성 병원성 세균이다. 녹농균은 감염 과정에서 표면 부착과 운동성에 관여하는 ‘Type IV pilus’를 조립하기 위해 외막에 ‘PilQ secretin’이라는 대형 단백질 통로를 형성한다. 그러나 이러한 외막 통로는 조립 상태가 불완전하거나 내막 복합체와 제대로 연결되지 않을 경우, 항생제 등 외부 물질이 유입될 수 있는 취약점이 될 수 있다. 세균이 선모 조립에 필요한 외막 통로를 유지하면서도 외막 장벽의 손상을 어떻게 방지하는지는 명확히 밝혀지지 않았다.

 공동 연구팀은 이 모순을 해결할 핵심 열쇠로 통로를 밀봉하는 단백질성 마개를 발견했다. 연구 결과, ‘SlkA’와 ‘SlkB’라는 두 단백질이 PilQ 채널 내부에 결합해 마치 ‘마개’처럼 통로를 물리적으로 차단한다는 사실을 최초로 규명했다. 실제로 SlkA·SlkB가 없을 경우, 특히 선모 조립이 제대로 진행되지 않는 상황에서 PilQ 통로를 통한 항생제 유입이 증가하고 녹농균이 항생제에 더 취약해지는 것으로 나타났다.

 이 가운데 가톨릭대 정정민 교수 연구팀은 첨단 바이오 장비인 초저온 전자현미경(Cryo-EM)을 활용해 SlkA·SlkB 단백질이 PilQ 채널 내부에 결합한 3차원 복합체 구조를 고분해능으로 시각화하는 데 성공했다. 기존 학계에서는 PilQ 채널 자체의 구조적 게이트가 유입을 막을 것이라 추정했으나, 본 연구를 통해 별도의 단백질성 마개가 PilQ 채널 내부를 점유해 외막 방어 기능을 보완한다는 새로운 메커니즘을 입증해 낸 것이다.

 이번 연구는 항생제 내성 세균의 방어 기전을 유전자 수준의 현상을 넘어 단백질 복합체의 3차원 구조와 세포 내 기능을 연결해 다층적으로 규명했다는 점에서 차별성을 지닌다. 또한, 연구팀이 찾아낸 단백질성 마개와 PilQ 채널의 결합 부위는 향후 기존 항생제의 침투를 극대화하는 항생제 보조제 개발의 새로운 표적이 될 것으로 기대된다.

 이번 연구는 가톨릭대와 성균관대 공동 연구팀의 주도로 진행됐으며, 하버드 의대, 미시간대, UCLouvain 등이 참여한 국제 공동 연구 성과다. 가톨릭대 권오현 박사와 이예슬 석박통합과정생, 기초과학연구원 류범한 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 논문은 생명과학 분야 세계적 권위지인 ‘Nature Communications (IF=15.7)’에 게재됐다 (DOI: 10.1038/s41467-026-73864-w).

 가톨릭대 생명공학과 정정민 교수는 “전 세계적인 보건 과제인 슈퍼박테리아 감염을 제어할 수 있는 치료 전략의 기초 지식을 구조생물학 수준에서 명확히 증명하게 되어 기쁘다”며 “앞으로도 세포 환경 내에서 세균 외막 통로의 개폐 기전을 추가로 규명하고, 항생제 내성 극복을 위한 후보 물질 탐색 등 후속 연구에 박차를 가할 것”이라고 말했다.

 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 우수신진연구의 지원(과제번호 RS-2022-NR071689)을 받아 수행됐다. 

(그림1) 미국 질병통제예방센터(CDC)가 제시한 주요 항생제 내성 위협 사례. 

다제내성 녹농균은 병원 감염과 관련된 주요 항생제 내성 병원체 중 하나로 분류된다.

(그림2) 녹농균 Type IV pilus 조립 과정에서 PilQ secretin 외막 통로가 SlkA 또는 SlkB 단백질 plug에 의해 막히는 개념도. 

SlkA/B는 내막 복합체가 도킹되기 전 PilQ lumen을 점유해 외부 물질 유입을 제한한다.

(그림3) 초저온 전자현미경으로 규명한 외막 통로 내 단백질 마개의 3차원 복합체 구조 및 세포 내 실제 정렬 비교. 

정제 단백질 복합체에서 관찰된 Slk plug 밀도는 세포 내 Type IV pilus assembly 중 관찰되는 PilQ lumen 중심 밀도와 잘 정합된다.