출처: Nature (2022) 601:606 – 611 

 A naturally inspired antibiotic to target multidrug-resistant pathogens 

배경 

• 박테리아로부터 얻은 천연물 콜리스틴(colistin)은 내성균에 대한 최후의 보루로써 쓰이는 항생제이지만, 가축, 어류 양식, 치료제 등으로 남용하면서 콜리스틴 내성도 증가 추세
• 가장 우려되는 내성 기전으로 플라스미드에 의하여 전파되는 내성
  • mcr-1 유전자에 의한 내성: 콜리스틴이 결합하는 지질A(lipid A)의 인산기(phosphate)를 포스포에탄올아민(phosphoethanolamine)을 결합 시켜 콜리스틴의 박테리아 세포막에 대한 결합 친화도 약화
  • PhoP/Q에 의한 내성: 지질A의 인산기를 아미노아라비노스(4-amino-4-deoxy-L-arabinose)로 변형, mcr-1과 비슷한 작용
• 콜리스틴은 박테리아에 의하여 생산되는 항생제로서 진화상으로 연관된 생합성 유전자 클러스터(biosynthetic gene clusters)에 의하여 발현되는 구조적으로 비슷한 대사물질 집합체 폴리믹신계 (polymyxins) 물질 중 하나
• 콜리스틴을 포함하는 이 물질군은 원형 데카펩타이드(decapeptide)로써 아미노산 서열 및 N-말단(N-terminal)에 결합된 지질의 구조가 조금씩 다름
• 이러한 구조적 다양성은 주변 박테리아의 폴리믹신 계 항생물질에 대한 내성의 발생에 따라, 이것을 피하기 위하여 진화시킨 것으로 추정
• 따라서, 자연계로부터 콜리스틴 및 같은 계열의 펩타이드를 인코딩(encoding)하는 유전자 동질체(congeners)를 이용하면 콜리스틴 내성을 극복할 수 있는 새로운 데카펩타이드를 찾을 가능성이 있음

매콜레이신 (macolacin) 발견

• 폴리믹신/콜리스틴과 유사한 생합성 유전자 클러스터를 찾기 위하여 생물정보학적으로 10,858 종의 박테리아 유전체 검색
• Paenibacillus xylanexedens mac에서 데카펩티드의 공통 서열에서 네 개의 아미노산 서열이 다른 데카펩타이드 예측
  • 다른 동질체 펩타이드들보다 큰 변화임
• 콜리스틴 처럼 6번 위치 아미노산 잔기가 류신(Leucine)이지만, 3, 7, 10번 위치 아미노산 잔기가 세린(Serine), 아이소류신(Isoleucine), 류신으로 콜리스틴과 다름
  • 이러한 큰 구조적 차이를 주목: 자연계의 내성 극복을 위한 진화의 결과일 가능성이 큼
• 이 예측된 데카펩타이드를 고체상 펩타이드 합성법(solid phase peptide synthesis)으로 합성
  • N-말단에 지질, (S)-6-메틸옥탄산((S)-6-methyloctanoic acid)을 결합
  • 4번 위치의 2,4-디아미노부틸산(2,4-diaminobutyric acid)를 이용한 원구조 만듦
• 합성물은 매콜레이신(macolacin)으로 명명

매콜레이신(macolacin)의 효능

• ESKAPE 병원균, 그람 음성균에 대한 높은 효능 보임
• mcr-1 유전자 발현 병원균(콜리스틴 내성균)에 대하여 높은 효능 보임. 
• PhoP/Q에 의한 내재적 내성을 가진 균들도 감수성을 보임. 

작용기전

• 매콜레이신이 콜리스틴 내성을 극복할 수 있지만, 콜리스틴과 완전히 다른 기전 작용이 아닌, 콜리스틴과 마찬가지로 지질 A에 결합하여 작용 
• 콜리스틴과 다른 아미노산 서열이 원인일 것으로 보고 아미노산을 교체하여 효과 확인
  • 7번 위치 아미노산은 영향 없음
  • 3번 위치의 세린과 10번 위치의 류신이 mcr-1에 의하여 구조변경된 지질 A에도 결합 가능

효능 개선을 위한 구조변경

• 펩타이드 서열 및 원형 구조는 자연계에서 진화에 의하여 최적화된 것으로 판단, N-말단의 지질을 교체. 다양한 구조의 지질 시험
• 바이페닐 지질이 결합되었을 경우 (biphenyl-macolacin) 가장 높은 효능 보임
• 카바페넴 내성 A. baumannii에 대하여 MIC < 2µg/mL이 측정됨. 이외 다양한 콜리스틴 내성균에 대해서 높은 활성을 보여줌.
• 생쥐 이용 in vivo 시험 (콜리스틴 내성 A. baumannii 감염)
  • 대조군에 대비 5log₁₀ 감소
  • 콜리스틴 처리군 대비 3log₁₀ 감소를 보임.

자연계의 자발적 진화에 의한 천연물 구조 다양화가 자연발생 항생제 내성을 극복하기 위한 것일 가능성이 크므로, 다른 천연물질 항생제에도 적용 가능 

체계적인 생물정보학적 접근 필요

발견한 물질의 구조-활성 연구를 통한 활성 최적화 및 개선을 위한 의약화학기술의 확보 필요