전 세계 보건을 위협하는 ‘다제내성 그램음성균’에 맞서 부산대 연구팀이 세균의 방어 체계를 역이용하는 혁신적인 항균 전략을 제시해 새로운 치료 패러다임의 가능성을 열었다. 여러 항생제에 버티는 내성과 견고한 외막 구조를 동시에 지닌 다제내성 그램음성균은 전 세계적으로 치료가 가장 까다로운 병원성 세균 중 하나로 꼽힌다. 

화학과 김광선 교수 연구팀은 대장균의 유전 조절 시스템에서 유래한 펩타이드 ‘TimP’를 활용해 그램음성균의 외막 구조를 재배치하고, 이를 통해 최후의 보루 항생제로 불리는 ‘폴리믹신(Polymyxin)’의 항균 효능을 높이는 데 성공했다.

강한 항생제를 개발하는 데 집중하기보다, 세균이 스스로 외막 방어벽을 무너뜨리도록 유도해 기존 항생제의 효과를 끌어올리는 방식이어서 주목된다.

다제내성 그램음성균은 외막이라는 강력한 물리적 장벽을 갖고 있어 기존 항생제는 물론 신규 항생제에도 높은 저항성을 보이는 등 신약 개발 속도가 세균 진화 속도를 따라잡지 못하는 상황에 직면했다. 특히 폴리믹신은 그램음성균의 외막을 직접 공격하는 핵심 약물이지만, 내성이 빠르게 나타나고 독성이 높아 임상 활용에 한계가 있었다. 

이를 보완하기 위한 병용 요법(Combination Therapy, 서로 다른 기전을 가진 항생제들을 섞어 투여) 연구도 이어져 왔으나, 약동학적 불일치와 세포 독성, 낮은 세균 침투 효율, 내성 유도 가능성 등으로 실제 적용에는 기술적·임상적 어려움이 따랐다.

연구팀은 이러한 한계를 넘기 위해 대장균 sRNA 과발현 라이브러리 스크리닝을 수행하던 중 폴리믹신의 효능을 증가시키는 sRNA인 ‘RyfA’를 발굴했다. 이어 이 sRNA 유전자에서 유래한 펩타이드 TimP가 동일한 기능을 한다는 사실을 확인했다.

특히 TimP가 과발현된 조건에서는 세균이 TimP를 실은 나노 크기의 세포밖 소포체(EV)를 과량 생성하는 것으로 나타났다. 이 EV는 세균 외막 구조를 변화시켜 폴리믹신이 세균 내부로 침투할 수 있는 ‘통로’를 열어주는 전달자 역할을 하는 것으로 분석됐다. 

연구팀은 AlphaFold 기반 결합 예측과 다양한 표현형 분석을 통해 TimP를 포함한 생체 분자가 세균 외막 단백질인 LamB와 상호작용한다는 점도 규명했다. 이를 통해 기존에는 견고하게 유지되던 외막 구조가 물리적으로 재구성되고, 결과적으로 폴리믹신에 대한 감수성이 높아지는 메커니즘을 확인했다. 이 같은 작용이 종 보존성(그램음성균이 공유하는 공통 메커니즘)을 가진다는 점도 함께 제시됐다.

연구팀은 이 메커니즘을 실제 치료 전략으로 확장해 폴리믹신과 TimP를 동시에 탑재한 EV 플랫폼 ‘PMB@TimP EV’를 구축했다. 한국생명공학연구원의 공동연구를 통해 해당 플랫폼이 낮은 농도의 폴리믹신만으로도 다제내성 그램음성균에 대한 항균 효능을 높이면서 안전성까지 확보할 수 있음을 확인했다. 

【TimP 기반 폴리믹신(Polymyxin) 감수성 조절 작용기전 및 치료제 개발】

이번 연구의 핵심은 항생제 치료의 접근법 자체를 바꿨다는 데 있다. ‘어떻게 항생제를 섞을까’가 아니라 ‘어떻게 세균을 무너뜨릴까’라는 근본적인 질문에 답을 제시한 것이다. 

기존 연구들이 어떤 항생제를 어떻게 조합할 것인지에 초점을 맞췄다면, 이번 성과는 세균의 유전적 조절 시스템을 역이용해 스스로 방어 체계를 해제하도록 만들고, 그 틈을 통해 기존 항생제가 더 효과적으로 작동하도록 했다.

김광선 교수는 “기존 항생제 내성 연구가 주로 항생제 자체의 변형에 집중했다면, 이번 연구는 다제내성균의 복잡한 외막 구조를 정밀하게 제어해 세균 고유의 단백질 시스템을 역이용함으로써 항생제 투과성을 높였다는 점에서 차별화된다”고 설명했다. 이어 “TimP 펩타이드를 포함한 EV 기반 약물 전달체와 결합하면 독성이 강한 항생제의 사용량은 줄이면서 치료 효과는 극대화할 수 있다”며 “신규 항생제 개발이 지체되는 상황에서 가용 자원의 효율을 높여 의료 현장의 공백을 메우는 데 기여할 수 있을 것”이라고 내다봤다.

이번 연구 성과는 한국연구재단의 ‘국가아젠다 기초연구’ 지원을 받아, 화학과 김광선 교수가 교신저자, 조혜진 박사가 제1저자로 한국생명공학연구원의 공동연구로 수행됐다. 연구의 학술적 가치와 혁신성을 인정받아, 약학 및 약물 내성 분야 세계 최고 권위지인 『Drug Resistance Updates』 7월호에 게재됐다. 

- 논문 제목: The sRNA-encoded peptide TimP rewires the Escherichia coli envelope via LamB to sensitize bacteria to polymyxins (TimP 기반의 LamB 조절을 통한 폴리믹신 감수성 증가 및 외막 재설계 전략)

- 논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1368764626000579 

 * 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 김광선 교수, 조혜진 박사.

[Abstract]

The rise of multidrug-resistant (MDR) Escherichia coli has marginalized last-line polymyxins (PMs) owing to evolving resistance and narrow therapeutic windows. Revitalizing these agents requires the identification of novel regulatory circuits governing the integrity of the gram-negative envelope. In this study, we identified TimP, a stress-responsive peptide, and demonstrated that intracellular overexpression (TimP+), synthetic peptide (FT-Pep), and biogenic TimP+-derived extracellular vesicles (TimP EVs) exhibited equivalent functionality in sensitizing E. coli to PMs with PM-mediated phenotypes. Mechanistically, TimP in E. coli initiates coordinated envelope remodeling by interacting with porin LamB via a specific N21TimP-R134 LamB molecular interface. Furthermore, the TimP-TimR/TimP-LamB interaction is functionally conserved in both E. coli and Salmonella. Pharmacokinetic profiling and spatiotemporal imaging of FT-Pep revealed a predictable physiological disposition across major organs and gradual systemic clearance over 24 h, with no evidence of pathological sequestration. Hepatic and immunological assessments confirmed that FT-Pep or TimP EVs were systemically inert, with serum pro-inflammatory markers and liver enzymes remaining within baseline physiological ranges. Exploiting these beneficial effects, we engineered polymyxin B (PMB)@TimP EVs, which exhibited enhanced bactericidal activity, improved pH stability, and negligible mammalian cytotoxicity compared with free PMB. In a murine sepsis model, PMB@TimP EVs demonstrated clear in vivo efficacy at an equivalent dose, maintaining survival when free PMB failed. Collectively, this study identified TimP as a conserved target and demonstrated a Trojan-horse drug delivery system capable of restoring the efficacy of PM against MDR gram-negative pathogens.

- Authors (Pusan National University, Department of Chemistry)

 · First author: Hyejin Cho

 · Corresponding author: Kwang-sun Kim

- Title of original paper: The sRNA-encoded peptide TimP rewires the Escherichia coli envelope via LamB to sensitize bacteria to polymyxins

- Journal: Drug Resistance Updates

- Web link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1368764626000579 

- Contact e-mail: kwangsun.kim@pusan.ac.kr