뉴욕대 의대 연구팀이 세균이 항생제에 내성을 나타내는 새로운 메카니즘을 발견했다는 사이언스데일리의 뉴스입니다.
연구팀은 NO(Nitric Oxide)에 의해 매개되는 세균의 방어체계(NO-mediated bacterial defense)를 제거할 경우 항생제 내성균(또는 슈퍼박테리아)를 정복할 수 있을 것이라는 전망을 제시하고 있습니다.
세균의 NO 합성효소(bNOS: bacterial nitric oxide synthases)는 그람 음성균에서 많이 발견되는데, bNOS가 세균의 체내에서 어떠한 생리적 역할을 하는지에 대해서는 알려진 것이 거의 없었습니다.
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Scientists Discover Mechanism To Make Existing Antibiotics More Effective At Lower Doses
출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2009/09/090910142356.htm
ScienceDaily (Sep. 11, 2009) — A new study published in the September 11, 2009 issue of Science by researchers at the NYU School of Medicine reveals a conceptually novel mechanism that plays an important role in making human pathogens like Staphylococcus aureus and Bacillus anthracis resistant to numerous antibiotics.
The study led by Evgeny A. Nudler, PhD, The Julie Wilson Anderson Professor of Biochemistry at NYU Langone Medical Center, provides evidence that Nitric Oxide, or NO, is able to alleviate the oxidative stress in bacteria caused by many antibiotics and also helps to neutralize many antibacterial compounds.
Eliminating this NO-mediated bacterial defense renders existing antibiotics more potent at lower, less toxic, doses. With infectious diseases the major cause of death worldwide, the study paves the way for new ways of combating bacteria that have become antibiotic resistant.
NO is a small molecule composed of one atom of oxygen and one of nitrogen. It was known as a toxic gas and air pollutant until 1987, when it was first shown to play a physiological role in mammals, for which a Nobel Prize was later awarded. NO has since been found to take part in an extraordinary range of activities including learning and memory, blood pressure regulation, penile erection, digestion and the fighting of infection and cancer.
A few years ago, the Nudler’s group from NYU demonstrated that bacteria mobilize NO to defend against the oxidative stress. The new study from the same group supports the radical idea that many antibiotics cause the oxidative stress in bacteria, often resulting in their death, whereas NO counters this effect. This work suggests scientists could use commercially available inhibitors of NO-synthase, an enzyme producing NO in bacteria and humans, to make antibiotic resistant bacteria like MRSA and ANTHRAX more sensitive to available drugs during acute infection.
“Developing new medications to fight antibiotic resistant bacteria like MRSA is a huge hurdle, associated with great cost and countless safety issues,” says Nudler. “Here, we have a short cut, where we don’t have to invent new antibiotics. Instead, we can enhance the activity of well established ones, making them more effective at lower doses.”
“We are very excited about the potential impact of this research in terms of continuing to push the boundaries of research in the area of infectious diseases,” said Vivian S. Lee, MD, PhD, MBA, vice dean for science, senior vice president and chief scientific officer of NYU Langone Medical Center. “With the emergence of drug resistant bacteria, it’s imperative that researchers strive to find conceptually new approaches to fight these pathogens.”
The study by Nudler and his colleagues was funded by a 2006 Pioneer Award from the National Institutes of Health in Bethesda, Maryland. The Pioneer Award, a $2.5 million grant over five years, is designed to support individual scientists of exceptional creativity who propose pioneering and possibly transforming approaches to major challenges in biomedical and behavioral research.
Co-authors of the study include Drs Ivan Gusarov and Konstantin Shatalin of the department of biochemistry at NYU School of Medicine in New York.
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뉴욕대(NYU) 의대의 연구진은 Science 9월 11일호에 실린 논문에서, 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)이나 탄저균(Bacillus anthracis) 등의 항생제내성을 유발하는 데 중요한 역할을 하는 새로운 메커니즘을 발견하였다고 발표하였다. 연구진에 의하면 NO(Nitric Oxide)가 항생제에 의해 발생하는 산화스트레스를 완화시키며, 또한 많은 항균화합물의 독성을 중화시킬 수 있다고 한다. 연구진은 이번 연구결과를 근거로 하여, “NO에 의해 매개되는 세균의 방어체계(NO-mediated bacterial defense)를 제거하면, 항생제의 투여량을 감소시키더라도 동일한 효과를 거둘 수 있으며, 고용량의 항생제 투여에 수반되는 독성도 감소시킬 수 있다.”고 주장하였다.
NO는 한 개의 산소원자와 한 개의 질소원자로 이루어진 작은 분자로서, 1987년 이전까지는 독성가스 또는 공기오염물질로 간주되었다. 그러나 1987년 “NO가 포유류의 체내에서 모종의 생리적 역할을 한다.”는 사실이 밝혀지고, 후에 이에 대하여 노벨상이 수여되면서 NO를 바라보는 학계의 시각은 완전히 바뀌었다. 그 이후 NO는 학습과 기억, 혈압, 발기(erection), 소화, 면역 등 실로 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다는 사실이 추가로 밝혀졌다.
세균의 NO 합성효소(bNOS: bacterial nitric oxide synthases)는 많은 그람 음성세균에서 발견되며, 아르기닌으로부터 NO를 합성하는 것으로 알려져 있지만, bNOS가 세균의 체내에서 어떠한 생리적 역할을 하는지에 대해서는 알려진 것이 거의 없었다. (세균과 진핵세포 생물의 NOS는 L-아르기닌이 L-시트룰린으로 산화되는 것을 촉매하는데, 구조적으로나 메커니즘적으로 밀접한 관련이 있다. bNOS는 필수적인 환원도메인이 결핍되어 있지만, in vivo에서 활용가능한 세포의 환원효소를 이용하여 NO를 생성한다.) 연구진은 bNOS에 의해 생성된 NO가 세균의 생리에 미치는 영향을 알아내기 위하여 이번 연구를 시작하였다.
연구진은 먼저 야생형의 B. subtilis와 nos가 결핍된 B. subtilis를 다양한 환경에 노출시키고 그 결과를 관찰하였다. 관찰 결과 이 두 가지 세균은 다양한 배지나 영양분에 대해서는 증식률의 차이를 보이지 않았지만, 연구진이 투여한 많은 살균성 화학물질(bacteriocidal chemicals)들이 nos 결핍 B. subtilis의 증식을 선택적으로 억제하는 것으로 나타났다. 연구진은 많은 살균성 항생제(예: 락탐계, 아미노글리코사이드계, 퀴놀론 등)가 – 적어도 부분적으로 – ROS(reactive oxygen species)의 생성을 촉진함으로써 독성을 발휘한다는 사실에 착안하여, “NO가 항생제에 의한 산화스트레스를 완화시킴으로써 세균을 항생제로부터 보호한다.”는 가설을 설정하였다.
연구진은 이상의 가설을 검증하기 위하여, NO가 아크리플라빈(ACR: acriflavine), 피오시아닌(PYO: pyocyanin), 세푸록심(cefuroxime)의 살균작용에 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과 NO는 ROS의 생성을 억베함으로써 세균을 ACR로부터 보호하는 것으로 밝혀졌다. 연구진이 세균을 비피리딜(bipyridyl: 철의 킬레이트화제로서, 펜톤반응을 효과적으로 억제하는 역할을 함)로 전처리한 후 ACR을 투여하자, ACR의 독성이 약화되었다. 한편 연구진이 세균을 NO로 전처리한 후 ACR을 투여하자 ACR의 독성이 약화되었지만, 일단 비피리딜로 전처리한 세균에 NO를 투여하자 ACR의 독성을 추가적으로 약화시킬 수 없었다. 이는 비피리딜과 NO가 동일한 메커니즘, 즉 펜톤반응(Fenton reaction)을 억제함으로써 작용한다는 것을 시사한다.
연구진은 나아가 추가실험을 통하여 NO가 항생제로부터 세균을 보호하는 또 하나의 메커니즘을 발견하였다. 즉, ACR이 독성을 발휘하기 위해서는 두 개의 방향족 아미노그룹을 갖는 것이 필수적인데, NO의 산화물(NO+)이 아릴아미노기를 니트로소화(nitrosation)시키고, 그 결과 생성된 아릴디아조늄(aryldiazonium) 양이온이 신속히 가수분해되어 질소가스(N2)를 방출하고 독성이 약한 디히드록시아크리딘(dihydroxyacridine) 유도체로 전환된다는 것이다.(첨부그림 참조) 연구진은 NO가 PYO와 세푸록심에 대해서도 ACR과 동일한 메커니즘으로 작용하는 것을 확인하였다.
이상에서 언급한 바와 같이 연구진이 밝혀낸 「NO에 의매 매개되는 내성(NO-mediated resistance) 획득」의 과정은 두 가지로 나뉘어지는데, 그 첫 번째는 독성 화합물을 화학적으로 변형시키는 것이며, 두 번째는 항생제가 일으키는 산화스트레스를 완화시키는 것이다. “bNOS는 세균의 자기방어 메커니즘의 일익을 담당한다. 세균은 bNOS를 통하여 다른 독성세균이 내뿜는 항생물질로부터 자신을 지키고, 그들과 영토를 분점(分占)한다.”고 연구진은 말했다. 연구진에 의하면 탄저균이나 MRSA를 포함한 많은 병원성 세균들이 bNOS를 보유하고 있다고 한다.
“MRSA와 같은 항생제내성 세균을 제거하는 데는 시간적으로나 경제적으로나 많은 어려움이 수반된다. 그러나 NO의 작용을 억제하는 약물을 개발할 수 있다면, 기존의 항생제와 병용투여함으로써 효능을 증강시킬 수 있기 때문에 새로운 항생제를 개발하기 위하여 많은 비용을 들이지 않아도 된다. 다행히 현재 많은 NOS 저해제(NO-synthase inhibitor)들이 출시되어 있어, 이를 이용하면 기존의 항생제에 대한 MRSA나 탄저균의 감수성을 증가시킬 수 있을 것으로 보인다.”고 연구진은 말했다. 이번 연구는 항생제내성 세균을 제거하는 새로운 방법을 제시하는 것으로서, 학계의 관심을 모으고 있다.
Reference: Endogenous Nitric Oxide Protects Bacteria Against a Wide Spectrum of Antibiotics, Science 11 September 2009, Vol. 325. no. 5946, pp. 1380 – 1384.
