2024-04-7  

□ β-lactam (락탐) 항생제는 페니실린(penicillin), 세팔로스포린(cephalosporin), 카바페넴(carbapenem)을 포함하며, 이들의 구조는 β-lactam ring을 포함함

 ○ β-lactamases (락타메이스) 효소는 β-락탐 고리의 아마이드 결합을 분해하여 항생제를 비활성화하며, 박테리아의 약물 저항성 주요 메커니즘(drug-resistant mechanism)임

   - Class A β-lactamase는 다양한 β-lactam 항생제를 가수분해할 수 있으며, penicillinase (페니실리나제), cephalosporinase (세파로스포리나제), carbapenemase (카바페넴 분해 효소)로 세분화됨

   - TEM, SHV, CTX-M 등 특정 변이체는 옥시이미노 세팔로스포린(oxyimino cephalosporin) 및 카바페넴(carbapenem) 가수분해 가능, 다제 내성 박테리아 감염 큰 위협

 ○ 이러한 효소들은 종종 플라스미드를 통해 다른 박테리아 종으로 전달될 수 있어 공중 보건에 심각한 영향을 미침

□ 연구 결과

 ○ CESS-1의 기질 선호도

   - CESS-1은 Stenotrophomonas maltophilia의 β-락타메이스 L2와 가장 높은 서열 유사성 (54.31%)을 가짐

   - β-락탐 항생제들에 대한 가수분해 활성을 평가한 결과, 세팔로스포린에 대한 가수분해 활성이 페니실린보다 더 우수했으며, 카바페넴에 대해서는 거의 활성이 없었음

   - 정량적 분석을 위해 세파클러(cefaclor), 세팔렉신(cephalexin), 암피실린(ampicillin)을 사용한 효소 동역학 연구에서는 세파클러에 대한 가수분해 활성이 가장 높았음

 ○ Apo CESS-1 및 아실화된 CESS-1의 전체 구조

   - CESS-1의 구조적 기초를 밝히기 위해, Apo 형태의 CESS-1과 세파클러, 세팔렉신, 암피실린으로 아실화된 형태의 CESS-1의 고해상도 결정 구조를 분석함

   - Apo 상태와 아실화된 효소 사이에는 뚜렷한 구조적 차이가 없었으며, CESS-1은 α/β 도메인과 α 도메인으로 구성됨

   - 활성 부위는 R1과 R2 subsite로 나뉘어 있으며, 각각 기질의 R1 및 R2 측쇄(side chain)를 수용함

 ○ 세파클러의 결합 방식

   - 세파클러 복합체의 결정 구조는 초기 정제 단계부터 명확한 전자 밀도를 보였으며, Ser70의 하이드록시 산소와 공유 결합 형성함

   - R1 측쇄의 페닐 고리는 β5-β6 루프와 α3-α4 루프 사이에 위치하여 반데르발스 접촉을 형성함

 ○ 세팔렉신의 결합 방식

   - 세파클러와 비교했을 때, 세팔렉신의 R1 측쇄는 β5-β6 루프와의 상호작용으로 인해 위치가 변하고, 이는 효소의 탈아실화 효율에 영향을 미침

   - 이러한 위치 변화는 β5-β6 루프와 Asn170의 회전 변화를 유발하며, 이는 탈아실화 물의 위치에 영향을 줌

 ○ 암피실린의 결합 방식

   - 암피실린의 R1 측쇄는 세파클러와 유사하지만, R2 측쇄는 두 개의 메틸 그룹을 가지며, 이는 세파클러와 다른 결합 상호작용을 나타냄

   - 암피실린은 β5-β6 루프와의 상호작용으로 인해 Asn170의 위치를 변경시키고, 이는 탈아실화 물의 적절한 위치를 방해하여 탈아실화 과정을 지연시킴

□ CESS-1은 Stenotrophomonas maltophilia의 β-락타메이스 L2와 구조적으로 유사하지만, β5-β6 루프의 구조적 차이로 인해 기질의 R1 사이드 체인과의 상호작용에 차이가 있음

 ○ 세파클러 vs 세팔렉신

   - CESS-1은 세파클러에 대해 세팔렉신보다 6배 높은 kcat 값(전환수)을 나타내며, 세파클러의 클로린 원자와 세팔렉신의 메틸 그룹의 미세한 구조적 차이 때문임

   - 이 차이가 β5-β6 루프와 Asn170의 위치 변화를 유발하여 탈아실화 효율에 영향을 줌

 ○ 세파클러 vs 암피실린

   - CESS-1은 암피실린에 대해 세파클러보다 17배 낮은 kcat 값을 나타내며, 암피실린의 R2 사이드 체인에 있는 두 개의 메틸 그룹이 탈아실화 물의 위치를 적절하게 조정하는 것을 방해함

   - 이 현상으로 암피실린의 탈아실화 과정이 지연됨

□ 본 연구는 CESS-1의 촉매 활동에서 탈아실화 물과 Asn170의 공간적 배열이 중요한 역할을 함

 ○ 기질 내의 분자 내 접촉이 활성 부위 내에서 기질의 형태를 결정하며, Asn170과 탈아실화 물 사이의 거리를 조절하여 탈아실화 물의 친핵성(nucleophile) 작용을 제어함

 ○ 세파클러, 세팔렉신, 암피실린에 대한 CESS-1의 탈아실화 효율은 Asn170과 탈아실화 물의 근접성에 기반하여 예측할 수 있으며 CESS-1의 기질 선호도와 일치함

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