KAIST 생명과학과의 정주연(왼쪽) 석박사통합과정생과 정현정 교수.

병원 내 감염의 주요 원인 중 하나로 알려진 슈퍼박테리아 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA·이하 포도상구균)’은 기존 항생제에 대한 높은 내성뿐 아니라 강력한 미생물막인 바이오필름을 형성함으로써 외부 치료제를 효과적으로 차단한다.

한국과 미국 국제 연구진이 미세방울을 이용해 유전자 표적 나노입자를 전달해 바이오필름을 무너뜨리고 기존 항생제가 무력한 감염증에 대한 혁신적 해결책을 제시하는 플랫폼 개발에 성공했다. KAIST는 정현정 생명과학과 교수 연구팀이 공현준 미국 일리노이대 교수 연구팀과 공동 연구를 통해, 포도상구균이 형성한 세균성 바이오필름을 효과적으로 제거하기 위해 유전자 억제제를 세균 내부로 정확하게 전달하는 미세방울 기반 나노-유전자 전달 플랫폼(BTNMB)를 개발했다고 29일 밝혔다.

슈퍼박테리아를 표적하는 유전자 치료제의 작동원리 모식도 [KAIST 제공]

연구팀은 먼저 포도상구균의 ▷바이오필름 형성 ▷세포 분열 ▷항생제 내성 등 3대 유전자를 동시에 억제하는 짧은 DNA 조각을 설계하고, 이를 탑재하여 균내로 효과적으로 전달할 수 있는 나노입자(BTN)를 고안했다. 또 미세방울을 사용해 포도상구균이 형성한 바이오필름인 미생물막의 투과성을 높였다. 연구팀은 두 가지 기술을 병용, 세균의 증식과 내성 획득을 원천적으로 차단하는 이중 타격 전략을 구현했다. 이 치료 시스템은 두 단계로 작동한다. 먼저 미세방울(MB)이 포도상구균이 형성한 세균성 생체막내 압력 변화로 나노입자(BTN)의 침투를 가능하게 만든다. 이어 BTN이 생체막의 틈을 타 세균 내부로 침투해 유전자 억제제를 정확하게 전달한다. 이를 통해 포도상구균의 유전자 조절을 일으켜 생체막 재형성, 세포 증식, 그리고 항생제 내성 발현이 동시에 차단된다.

돼지 피부 감염 생체막 모델과 포도상구균 감염 마우스 상처 모델에서 시행한 실험 결과, BTNMB 치료군은 생체막 두께가 크게 감소했으며, 세균 수와 염증 반응도 현저히 줄어드는 뛰어난 치료 효과를 확인할 수 있었다.

정 교수는 “이번 연구는 기존 항생제로는 해결할 수 없는 슈퍼박테리아 감염에 대해 나노기술, 유전자 억제, 물리적 접근법을 융합해 새로운 치료 해법을 제시했다”며 “향후 전신 적용 및 다양한 감염 질환으로의 확장을 목표로 연구를 지속할 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼스’ 온라인판에 지난 19일 게재됐다.

박세정 기자