치명적인 병원체를 죽이는 엔지니어링 바이러스

노스웨스턴 대학(Northwestern University) 연구진은 치명적인 병원균이 내부에서부터 스스로를 파괴하도록 유도하는 데 성공했습니다.

새로운 연구에서 연구자들은 박테리아 내부에 감염되어 복제되는 바이러스의 일종인 박테리오파지 또는 “파지”에서 DNA를 변형했습니다. 그런 다음 연구팀은 DNA를 내부에 넣었습니다. 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) (P. aeruginosa), 항생제에 대한 내성도 매우 높은 치명적인 박테리아입니다. 박테리아 내부로 들어가면 DNA는 병원체의 방어 메커니즘을 우회하여 비리온으로 조립되고, 이는 박테리아의 세포를 쪼개어 박테리아를 죽입니다.

“파지 치료법”에 대한 관심 증가를 기반으로 하는 이 실험 작업은 항생제 내성 박테리아를 죽이는 새로운 치료법으로 디자이너 바이러스를 엔지니어링하는 데 중요한 단계를 나타냅니다. 또한 생물학에서 거의 연구되지 않은 분야인 파지의 내부 작용에 대한 중요한 정보도 밝혀줍니다.

이번 연구는 수요일(1월 24일) 미생물학 스펙트럼 저널에 게재될 예정이다.

이번 연구를 주도한 노스웨스턴 대학의 에리카 하트만(Erica Hartmann)은 “항균제 내성은 때로 ‘침묵의 전염병’으로 불린다”고 말했다. “전 세계적으로 감염자 수와 감염으로 인한 사망자 수가 증가하고 있습니다. 이는 엄청난 문제입니다. 파지 치료법은 항균제 사용에 대한 의존도에 대한 미개척 대안으로 등장했습니다. 그러나 여러 면에서 파지는 미생물학의 ‘최종 개척지’입니다. 우리는 파지의 작동 원리에 대해 더 많이 알수록 더 효과적인 치료법을 설계할 가능성이 높아집니다. 우리 프로젝트는 파지 생물학을 조작하면서 실시간으로 학습한다는 점에서 최첨단입니다. .”

실내 미생물학자인 Hartmann은 Northwestern McCormick School of Engineering의 토목 및 환경 공학 부교수이자 합성 생물학 센터의 회원입니다.

항생제 대안이 절실히 필요함

항균제 사용의 증가와 관련하여 항균제 내성의 증가는 전 세계 인구에 대한 긴급하고 증가하는 위협입니다. 질병통제예방센터(CDC)에 따르면 미국에서만 매년 거의 300만 건에 달하는 항균제 내성 감염이 발생하며 그로 인해 35,000명 이상이 사망하는 것으로 나타났습니다.

점점 커지는 위기로 인해 연구자들은 계속해서 효과를 잃어가고 있는 항생제에 대한 대안을 찾게 되었습니다. 최근 몇 년 동안 연구자들은 파지 치료법을 연구하기 시작했습니다. 그러나 수십억 개의 파지가 존재함에도 불구하고 과학자들은 이에 대해 거의 아는 바가 없습니다.

“존재하는 모든 박테리아에는 수십 개의 파지가 있습니다”라고 Hartmann은 말했습니다. “그래서 지구상에는 천문학적으로 많은 수의 파지가 있지만 우리는 그 중 소수만 이해하고 있습니다. 우리는 실제로 그것들을 연구할 동기가 없었습니다. 이제 동기가 생겼고 우리는 그 수를 늘리고 있습니다. 우리는 그들의 연구에 전념해야 하는 도구입니다.”

부작용 없는 치료

잠재적인 파지 치료법을 탐색하기 위해 연구자들은 신체의 나머지 부분을 방해하지 않고 박테리아 감염을 선택적으로 표적으로 삼도록 기존 바이러스를 찾아내거나 수정합니다. 이상적으로, 과학자들은 언젠가 특정 박테리아를 감염시키기 위해 파지 치료제를 맞춤화하고 개별 감염을 치료하기 위한 정확한 특성과 특성을 갖춘 “일품” 치료제를 설계할 수 있습니다.

“파지의 강력한 점은 항생제가 그렇지 않은 방식으로 매우 구체적일 수 있다는 것”이라고 Hartmann은 말했습니다. “예를 들어 부비동염에 항생제를 복용하면 전체 위장관이 손상됩니다. 파지 치료법은 감염에만 영향을 미치도록 설계될 수 있습니다.”

다른 연구자들이 파지 치료법을 연구한 반면, 연구된 거의 모든 연구자들은 감염을 위해 파지를 사용하는 데 중점을 두었습니다. 대장균. 그러나 Hartmann은 다음 사항에 집중하기로 결정했습니다. P. aeruginosa, 인간에게 가장 치명적인 5가지 병원체 중 하나입니다. 면역체계가 저하된 사람들에게 특히 위험합니다. P. aeruginosa 병원 감염의 주요 원인으로, 종종 화상이나 수술 상처가 있는 환자뿐만 아니라 낭포성 섬유증 환자의 폐도 감염시킵니다.

Hartmann은 “이것은 많은 사람들이 정말로 우려하고 있는 가장 높은 우선순위의 다약제 내성 병원체 중 하나입니다”라고 말했습니다. “약물에 대한 내성이 극도로 높아 이에 대한 대체 치료법 개발이 시급히 필요합니다.”

감염 모방, 방어 우회

연구에서 Hartmann과 그녀의 팀은 다음과 같이 시작했습니다. P. aeruginosa 박테리아와 여러 파지에서 정제된 DNA. 그런 다음 그들은 짧은 고전압 펄스를 전달하는 기술인 전기천공법을 사용하여 박테리아의 외부 세포에 임시 구멍을 뚫었습니다. 이 구멍을 통해 파지 DNA가 박테리아에 들어가 감염 과정을 모방했습니다.

어떤 경우에는 박테리아가 DNA를 이물질로 인식하고 자신을 보호하기 위해 DNA를 파쇄하기도 했습니다. 그러나 프로세스를 최적화하기 위해 합성 생물학을 사용한 후 Hartmann 팀은 박테리아의 항바이러스 자기 방어 메커니즘을 제거할 수 있었습니다. 이 경우 DNA는 성공적으로 정보를 세포로 전달하여 박테리아를 죽이는 비리온을 생성했습니다.

Hartmann은 “우리가 성공한 곳에서는 박테리아의 어두운 점을 볼 수 있었습니다.”라고 말했습니다. “이곳은 바이러스가 세포에서 터져 나와 모든 박테리아를 죽인 곳입니다.”

이러한 성공 이후 Hartmann 팀은 자연적으로는 자신의 균주를 감염시킬 수 없는 두 개의 파지에서 DNA를 추가로 도입했습니다. P. aeruginosa. 그러나 이번에도 그 과정은 성공했습니다.

세포 내 파지 제조

파지는 박테리아를 죽였을 뿐만 아니라 수십억 개의 파지를 더 배출했습니다. 이 파지는 감염을 일으키는 박테리아와 같은 다른 박테리아를 죽이는 데 사용될 수 있습니다.

다음으로 Hartmann은 잠재적인 치료법을 최적화하기 위해 파지 DNA를 계속 변형할 계획입니다. 현재 그녀의 팀은 세포에서 배출되는 파지를 연구하고 있습니다. P. aeruginosa.

“이것은 파지 치료법을 만드는 데 중요한 부분입니다”라고 그녀는 말했습니다. “우리는 어떤 파지를 개발하여 치료제로 대량 생산할지 결정하기 위해 파지를 연구할 수 있습니다.”

“임상적으로 관련된 녹농균 꼬리 파지를 조립하고 재부팅하기 위한 합성 생물학 접근법”이라는 연구는 Walder 재단, 국립 과학 재단 및 국립 보건원의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/01/240131144435.htm