아미노글라이코사이드계 항생제 유도에 의한 세균의 생물막(biofilm) 형성
일반적으로 항생제란 어떤 특정한 미생물의 생장을 저해하거나 파괴하는 의약품으로서, 페니실린 발견 이후 현재까지 항생제 산업은 생물 산업의 근간이 되 어왔다. 그러나 특정 항생제에 내성을 갖는 여러 돌연 변이 미생물들의 출현으로 인하여 항생제 투여에 많 은 어려움을 겪게 되었고, 따라서 최근에는 항생제 내 성을 갖는 여러 균주의 특성과 저항 메커니즘을 규명 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 논문에서는 아 미노글라이코사이드(aminoglycoside)계 항생제의 일 종인 tobramycin 존재 시, 생물막을 형성하는 녹농균 (P. aeruginosa)과 대장균(E. coli)의 항생제 저항 메 커니즘을 규명하고 이 특징들을 살펴보고 있다.
낮은 tobramycin 농도에서(미생물의 성장을 억제 할 수 있는 최소 농도(MIC)인 1µg ml-1보다 낮은 농 도) 녹농균과 대장균의 반응성을 살펴본 결과, tobramycin이 존재하지 않는 경우와 비교했을 때 세 균의 성장과 합성된 단백질 양에는 큰 변화가 없었으 나 낮은 tobramycin 농도에서 다량의 생물막이 형성 되었음을 확인할 수 있었다[그림 1]. 기존의 연구 보 고에 의하면 녹농균의 경우β-락탐계 항생제의 농도 가 증가함에 따라 다당질 alginate 생물막이 형성된다 고 알려져 왔으나, 이 논문에서는 alginate 생산 유전 자를 파괴시킨 돌연변이 녹농균에서도 같은 양의 tobramycin-유도 생물막이 형성된 결과를 근거로 기존
의 생물막 조성 및 반응 메커니즘과는 다른 특별한 생 물막 형성 메커니즘이 존재한다는 사실을 예측하였다.
실험 결과, 녹농균의 경우 aminoglycoside response regulator(arr) 유전자가 아미노글라이코사이드계 항 생제에 특이성을 갖는 생물막을 형성하는데 직접적으 로 관여하는 유전자임을 알아내었다. arr 유전자는 cyclic di-guanosine monophosphate(c-di-GMP)를 기질로 사용하는 phosphodiesterase라는 효소를 암호 화하고 있는데, 이 때 c-di-GMP는 세포의 점착성을 조절하는 2차 전령으로 알려졌다. 이를 증명하기 위하 여arr 유전자의 기능이 상실된 돌연변이 주에 대한 실험을 수행하였는데, 이 경우 phosphodiesterase 활 성이 현저히 줄어들어 tobramycin에 의해 유도되는 생물막을 형성하지 않았으나(그러나 비특이적인 생물 막은 소량 생성), arr 유전자 발현 plasmid를 함유하 는 재조합 균주의 경우 tobramycin-유도 생물막이 다 시 생성되었음을 확인하였다[그림 2]. 또한 tobra- mycin-유도 생물막은 외부에서 투입된 GTP에 따라 서도 저해를 받았는데, 이는 GTP가 c-di-GMP phos- phodiesterase의 활성을 저해하기 때문이라고 설명했다.
결론적으로 이 논문에서는 특정 세균 의 생물막 형성은 항생제에 특이적이고 자기 방어적으로 이루어진다는 사실을 밝혔으며, 이 반응은 c-di-GMP 농도에 의하여 분자 레벨에서 조절이 가능하다 는 사실을 입증하였다[Nature, Vol. 436, p. 1171(2005)].
656 … NICE, 제23권 제6호, 2005
0.8 0.6 0.4 0.2
0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Tobramycin (µg ml-1) (A570 nm)Relative biomass
PAO1 arr arr + pArr
그림 2. Tobramycin 농도에 따른 녹농균의 생물막 형성 그래프(■: 야생주, □: arr 유전자 돌연변이 주, : arr 유 전자 돌연변이 주 + arr 유전자 발현 plasmid).
5 4 3 2 1 0
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
0 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1 0 10 20 30
Time (h) Tobramycin (µg ml-1)
A600 nm (A595 nm)Relative biomass0 µg ml-1
0.3 µg ml-1 0.4 µg ml-1