Ewha magazine

김우성 교수 연구팀이 황색포도상구균에 강력한 항균 활성을 나타내는 MB6를 발굴하고 그 작용 기전을 규명하였다.

황색포도상구균은 인간 체내에 존재하는 기회감염성 균주로, 피부감염, 식중독, 폐렴, 심내막염에 등의 다양한 감염을 일으킬 수 있는 주요 원인균이다. 황색포도상구균은 특히 유전적 변이로 인한 항생제 내성(Resistance)이 빈번하게 일어나며, 비성장 휴면 상태에 의한 항생제 내성(Tolerance)을 발달시킬 수 있어 인류 보건에 큰 위협을 가하고 있다.

이렇게 항생제 내성을 보이는 세균을 ‘퍼시스터(Persisters)’라고 하는데, 황색포도상구균의 퍼시스터는 생물막 관련 질병과 심내막염 및 골수염 등을 야기하고 감염 치료의 높은 실패율의 원인이 된다. 베타락탐(beta-lactam) 계열 항생제에 저항성을 나타내는 대표적인 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA) 감염은 현재 항생제 화학요법으로 효과적인 치료가 어려워 새로운 치료법 및 치료제 개발이 시급한 상황이다.

김우성 교수 연구팀은 난양기술대학교, 하버드 의과대학, 휴스턴감리교병원, 강동성심병원 연구팀과의 공동연구를 통해 MRSA에 대해 효과적인 새로운 ‘Methylazanediyl Bisacetamide 유도체(MB6)’를 발견하고, MB6 항균 효과의 분자 메커니즘을 밝혀냈다. MB6는 낮은 내성 유도율을 보이면서도 포유동물 세포막보다 MRSA의 막 지질 이중층을 선택적으로 파괴하는 메커니즘을 가짐으로써 강력한 항균 활성을 나타냈다.

더불어 기존 임상에서 사용되고 있는 항생제인 겐타마이신과 댑토마이신의 조합을 향상시키는 보조제로서 MB6의 역할을 규명했다. MB6는 성장 중인 MRSA 세포에는 효과적이지만, MRSA 퍼시스터에 대한 항균 활성은 제한적으로 나타낸다. 하지만 MB6는 겐타마이신의 흡수를 촉진하고 댑토마이신의 막 파괴 활성을 강화시켜, MRSA 퍼시스터에 대해 강력한 삼중 약물 상승 효과를 나타냄을 밝혔다.

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문회리 교수 연구팀이 세계 최초로 카르복시기 리간드 기반 금속-유기 골격체의 용융 현상을 관찰하고 유리화에 성공함으로써 금속-유기 골격체 소재군 다변화 가능성의 길을 열었다. 금속-유기 골격체 (Metal-Organic Framework, 이하 MOF)는 다공성(porosity)을 지니는 유기·무기 하이브리드 물질의 일종으로, 높은 구조적 확장성을 기반으로 다양한 응용이 가능해 화학 분야에서 가장 주목받고 있는 신물질 중 하나다. 3차원 구조체에 매우 미세한 구멍이 뚫려 있어 물질 저장이나 분리 등이 가능하면서도 강한 결합성을 유지하는 특성을 활용해 MOF는 기체 포집, 약물 전달, 화학 센서 등 수많은 응용 분야에서 큰 잠재력을 지닌 차세대 플랫폼 물질로 꼽히고 있다.

그러나 MOF 고유의 결정질 파우더 형태로 인해 낮은 가공성과 낮은 기계적 강도를 보여 산업에서의 직접 활용에 큰 한계를 보이는 가운데, 최근 가공성과 성형성을 높이고 성능 저하를 최소화하기 위해 MOF를 용융(melting)한 액체상 또는 유리상 MOF 개발 연구가 주목받고 있다. 그러나 지금까지 발표된 10만 개 이상의 MOF 중 용융 현상을 보이는 것은 극소수인 데다, MOF의 대부분을 차지하는 카르복시기 리간드 기반 MOF의 용융 현상은 한 번도 발표된 바 없다.

연구팀은 MOF의 형성 및 분해 과정을 열역학적으로 이해하고 이를 합성 전략에 반영함으로써, 녹는점이 낮은 MOF를 전략적으로 합성하는 데 성공했다. 또한, 세계 최초로 카르복시기 리간드 기반 MOF의 용융 현상을 관찰하고 이를 유리화하는 데 성공했다.

본 연구 결과를 통해 MOF 액화 및 유리화에 대한 이해도를 높이고, MOF 기반 유리 물질 다변화를 모색할 수 있는 길을 열었다. 이에 따라 이산화탄소 등 특정 기체를 포집하거나, 특정 물질에 반응해 녹는 의약품 코팅제 등 바이오 유리 개발을 비롯해 광학·전기·전자 소재 등 다양한 응용 분야로 MOF 소재의 확장성을 넓힐 수 있게 됐다.

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이수영 교수팀이 파골세포의 뼈 흡수 기능을 조절하는 새로운 인자를 찾아내는 데 성공했다. 이수영 교수(교신저자), 김민희 박사과정생(제1저자)과 박진희 박사(제1저자) 그리고 생명과학과 김태수, 강동민, 심현보 교수(공동연구) 연구팀은 연세대, 한국한의학연구원, 한국기초과학지원연구원과 공동연구를 통해 파골세포의 뼈 흡수 기능 유지에 필수적인 세포 내 엔도-리소좀 트래피킹(endo-lysosomal trafficking)의 조절자로 역할하는 ‘RUFY4 단백질’을 새롭게 발견하고 그 작용기전을 규명했다.

뼈 조직은 새로운 뼈를 만드는 ‘조골세포’와 오래되거나 손상된 뼈를 흡수하는 ‘파골세포’ 간의 균형을 통해 뼈의 양과 미세구조가 유지된다. 그러나 노화 및 폐경 등으로 인해 조골세포가 새롭게 만든 뼈의 양보다 파골세포가 파괴한 뼈의 양이 더 많아지면, 뼈는 약해지고 작은 충격에도 쉽게 부러질 수 있다. 골다공증은 이러한 불균형으로 유발되는 대표적인 질환이다.

파골세포는 카뎁신 K와 같은 가수분해효소를 세포 밖으로 분비하여 뼈를 갉아 먹고, 이러한 가수분해효소는 후기 엔도솜과 리소좀이 합쳐진 엔도-리소좀 안에 활성화된 상태로 존재한다. RUFY 단백질 family는 주로 세포질에 존재하여 소포수송(vesicle trafficking)과 오토파지(autophagy) 등을 조절한다고 알려져 있다.

연구팀은 RUFY4 단백질이 결핍된 실험 쥐의 경우 대조군보다 골밀도가 높다는 점, 그리고 RUFY4 단백질이 조골세포와 파골세포의 분화에는 영향을 미치지 않고 엔도-리소좀 형성과 카뎁신 K 분비 등 파골세포의 기능에만 특이적으로 관여함을 밝혀냈다. 또한, 염증 반응 및 난소 절제에 따른 뼈 파괴 실험쥐 모델에서도 RUFY4 단백질이 결핍된 경우 뼈 손실이 완화됨을 확인했다.

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남원우 석좌교수 연구팀이 인공광합성의 난제로 꼽히는 물 산화 반응 메커니즘을 세계 최초로 규명해 친환경 대체 에너지 생산의 새로운 지평을 열 것으로 기대되고 있다. 화석연료를 대신할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지면서 손쉽게 얻을 수 있는 물과 태양 에너지가 주목받고 있는 가운데, 식물이 태양 에너지를 이용해 유기물을 합성하는 광합성 과정을 모방해 물이나 이산화탄소에서 연료가 되는 화학물질을 합성하는 ‘인공광합성’ 기술이 급부상하고 있다.

현재 인공광합성 기술에서 가장 해결하기 어려운 부분은 효율적인 촉매적 물 산화 반응이다. 홍영현 박사와 남원우 교수 연구팀은 자연 광합성 과정에서 물을 산화시키는 효소 즉 산소 방출 복합체(oxygen evolving complex: OEC)의 기능을 모방한 인공광합성 연구를 진행했다. 철을 함유하고 있는 비헴성(nonheme) 철 효소의 모델 화합물을 촉매로 사용해 물 산화 반응에서 관여하는 모든 중간체들을 확인했고, 이후 산소-산소 결합 형성 단계를 처음으로 규명하는 데 성공했다. 특히, 물 산화 반응에서 철(V)-옥소 (Fe=O) 및 철(III)-하이드로퍼옥소 (Fe-OOH) 종들과 같은 주요 중간체들을 분광학기기를 사용하여 세계 최초로 확인했다. 이번 연구는 물 산화 반응의 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하는 한편 물을 산화시켜 산소를 만드는 과정에서 에너지를 보다 효과적으로 전환하는 후속 연구에 도움을 줄 것으로 기대된다.

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이정록 교수 연구팀이 그동안 기존 기술로 측정하기가 어려웠던 생체유사환경에서의 유전자 가위 등 유전자 절단 효소의 반응성을 측정하는 데 성공했다. 유전자 절단 효소는 유전자 편집 기술 및 유전자 치료제의 핵심 요소로서 원하는 유전자 서열을 찾아 절단해 줄 수 있는 물질이다. 유전자 절단 효소를 효과적으로 사용하기 위해서는 물질의 반응성 또는 절단 속도를 정확히 파악해야 한다. 버퍼 용액에서 광학 기술을 이용하여 그 특성을 파악하는 기존의 기술로는 혈액·혈청·타액 등 생체유래물 내에서의 반응성을 확인하기에는 어려움이 있었다.

연구팀은 자성 바이오센서(Magnetic Biosensors)를 이용하여 유전자 절단 효소가 특정 유전자 서열을 절단할 때 절단 신호를 발생하도록 고안했다. 이를 통해 EcoRI 등 초창기의 유전자 절단 효소뿐만 아니라 현재 주목받고 있는 CRISPR-Cas12a의 반응성을 정밀하게 측정하는 데 성공했다. 자성 바이오센서는 외부 환경 변화에 둔감하여 이온 농도, 염도, pH, 온도가 다른 다양한 환경에서도 정확히 절단 신호만을 측정할 수 있어 CRISPR-Cas12a의 반응성을 다양한 시료 내에서 측정할 수 있었다. 측정 결과 CRISPR-Cas12a의 혈청 내에서 반응성은 버퍼 용액의 반응성에 비해 10배 정도 느려짐을 확인하였고, 타액과 세포배양액 등의 다른 용액에서도 반응성이 감소하는 것을 확인함으로써 기술의 유용성을 검증했다.

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논문명	A Methylazanediyl Bisacetamide Derivative Sensitizes Staphylococcus aureus Persisters to a Combination of Gentamicin And Daptomycin
저널명	Advanced Science

논문명	Melt-quenched carboxylate metal–organic framework glasses
저널명	Nature Communications

논문명	RUFY4 deletion prevents pathological bone loss by blocking endo-lysosomal trafficking of osteoclasts
저널명	Bone Research

논문명	Seeing the key intermediates in bioinspired nonheme iron complex-catalyzed water oxidation
저널명	Chem (Cell Press)

논문명	Evaluation of restriction and Cas endonuclease kinetics using matrix-insensitive magnetic biosensors
저널명	Biosensors and Bioelectronics