극도의 방사선량에서도 살아남은 '박테리아 코난'
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-12-10 16:05:28
3분 읽기
- 대사 과정에서 생성된 짧은 펩타이드를 망간 이온 및 인산염과 결합
- 매우 강력한 항산화 효과를 갖는 분자 복합체 형성
- 의료, 산업, 국방 및 우주 탐사 분야에 적용할 수 있는 훨씬 더 강력한 망간 기반 항산화제의 개발로 이어질 수 있다
X선과 감마선은 살아있는 세포에 활성산소(O2·−)와 산화 스트레스를 생성해 DNA와 단백질을 손상시킬 수 있다. 그러나 박테리아 데이노코커스 라디오두란스(Deinococcus radiodurans)는 이러한 전리 방사선에 유난히 저항력이 있다. 이 미생물은 남극 대륙, 원자로 또는 사람과 동물의 내장과 같은 척박한 장소에서도 어디에나 살고 있으며 건조 및 냉동 시 최대 2만5000Gy(Gray, 그레이), 심지어 14만Gy의 방사선량에서도 살아남을 수 있다. 이는 사람의 치사량보다 2만8000배 더 많은 양이다.
*그레이(Gray, Gy): 방사선의 단위. 1그레이는 물체 1킬로그램당 1줄(Joule)의 에너지를 흡수시키는 방사선 량이다. 과거에는 래드(rad)를 사용하였으나, 현재는 그레이가 표준 단위이다. 100rad가 1Gy에 해당된다. 방사선의 인체 영향을 추정하는 단위인 시버트와는 다르나, X-선이나 감마선인 경우, 1Gy가 1Sv와 같은 것으로 평가한다.
따라서 Deinococcus radiodurans는 세계에서 가장 저항력이 강한 박테리아로 간주되며 영화 캐릭터 "야만인 코난"을 기반으로 "박테리아 코난"이라고도 불린다. 저항성은 두꺼운 세포벽, 박테리아 DNA의 복구 메커니즘, 박테리아 내부의 항산화 효과가 있는 특수 망간 함유 분자에 의해 가능해진다. 이전 연구에서는 망간 항산화제가 많을수록 미생물의 탄력성이 높아지는 것으로 나타났다. 그러면 이 보호 분자는 정확히 어떻게 작동할까?
MDP라고 불리는 디자이너 분자
일리노이 주 노스웨스턴 대학의 Hao Yang이 이끄는 팀은 이제 이 문제를 더 자세히 조사했다. 이를 위해 연구진은 Deinococcus radiodurans를 모델로 한 합성 디자이너 항산화제를 생산하고 전자자기공명분광법(EPR)과 핵자기공명 분석(ENDOR/ESEEM 및 NMR)을 사용하여 그 구조와 특성을 조사했다.
이 분자는 "코난"에서 발견된 것과 같은 10개의 아미노산 사슬인 DP1이라는 데카펩타이드가 인산염 그룹 및 망간 이온(Mn2+)과 결합되어 구성된다. 생산 중 이들 성분의 정량적 비율은 데이노코커스와 마찬가지로 25:3:1이다. 약어 MDP를 사용하여 생성된 인공 구조물은 자유 라디칼을 차단하여 예비 테스트에서 밝혀진 바와 같이 살아있는 세포와 단백질을 방사선 손상으로부터 성공적으로 보호한다.
펩타이드는 망간의 보호 효과를 강화한다.
이제 구조 분석을 통해 MDP의 개별 구성 요소가 인산염, 망간 및 펩타이드의 특별한 공간 배열인 삼원 복합체를 형성한다는 사실도 밝혀졌다. 이 구조는 인산염 또는 펩티드 단독과 결합된 망간보다 더 안정적이다. 또한, 삼중 복합체는 방사선 손상에 대해 훨씬 더 나은 도움을 준다. 테스트에서 생화학자들이 발견한 것처럼 망간-인산염 복합체는 최대 60,000 그레이의 방사선량으로부터 단백질을 보호하는 반면 망간-인산염 복합체는 최대 1만 그레이까지만 보호했다.
노스웨스턴 대학의 수석 저자인 브라이언 호프만(Brian Hoffman)은 “MDP의 뛰어난 방사선 방지 기능을 나타내는 것은 바로 이 삼원 복합체”라고 결론지었다. “우리는 망간 이온과 인산염이 결합하여 강력한 항산화제를 생성한다는 사실을 오랫동안 알고 있었다. 그러나 세 번째 구성 요소를 추가함으로써 생성된 '마법의' 효능을 발견하고 이해하는 것은 획기적인 일이다.”
우주 비행사와 백신 보호
"코난"의 보호 분자에 대한 새로운 지식을 바탕으로 이제 방사선으로부터 사람들을 보호하는 새로운 합성 항산화제가 개발될 수 있다. 공동 저자인 USU(Uniformed Services University)의 Michael Daly는 "MDP에 대한 이러한 새로운 이해는 의료, 산업, 국방 및 우주 탐사 분야에 적용할 수 있는 훨씬 더 강력한 망간 기반 항산화제의 개발로 이어질 수 있다"고 말했다.
따라서 데이노코커스 라디오두란스(Deinococcus radiodurans)에서 영감을 얻은 이러한 항산화제는 우주 임무 중에 강렬한 우주 방사선으로부터 우주 비행사를 보호하거나 핵 사고 중에 지구상의 사람들을 방사선으로부터 보호할 수 있다. 또한 이러한 항산화제는 면역체계를 활성화하는 표면 단백질을 손상시키지 않고 방사선을 이용해 바이러스나 박테리아 등 병원체의 유전물질을 파괴하는 백신 생산을 촉진할 수 있다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; doi: 10.1073/pnas.2417389121)
출처: Northwestern University
- 대사 과정에서 생성된 짧은 펩타이드를 망간 이온 및 인산염과 결합
- 매우 강력한 항산화 효과를 갖는 분자 복합체 형성
- 의료, 산업, 국방 및 우주 탐사 분야에 적용할 수 있는 훨씬 더 강력한 망간 기반 항산화제의 개발로 이어질 수 있다
'박테리아 코난'이 극한의 방사선을 견디는 방법
특별한 박테리아 항산화 구조 밝혀져
작은 미생물인 데이노코커스 라디오두란스(Deinococcus radiodurans)는 극도의 방사선량에서도 살아남을 수 있다. 최근 생화학자들은 이러한 회복력 뒤에 숨은 비밀을 밝혀냈다. 이에 따르면, 박테리아는 대사 과정에서 생성된 짧은 펩타이드를 망간 이온 및 인산염과 결합해 매우 강력한 항산화 효과를 갖는 분자 복합체를 형성한다. 이는 심각한 방사선 손상을 예방하고 미래에는 우주비행사와 의약품을 방사선으로부터 보호할 수도 있다.
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| ▲ "박테리아 코난"이라고도 불리는 데이노코커스 라디오두란스는 인간보다 훨씬 높은 방사선량을 견딜 수 있다. © USU/Michael Daly |
X선과 감마선은 살아있는 세포에 활성산소(O2·−)와 산화 스트레스를 생성해 DNA와 단백질을 손상시킬 수 있다. 그러나 박테리아 데이노코커스 라디오두란스(Deinococcus radiodurans)는 이러한 전리 방사선에 유난히 저항력이 있다. 이 미생물은 남극 대륙, 원자로 또는 사람과 동물의 내장과 같은 척박한 장소에서도 어디에나 살고 있으며 건조 및 냉동 시 최대 2만5000Gy(Gray, 그레이), 심지어 14만Gy의 방사선량에서도 살아남을 수 있다. 이는 사람의 치사량보다 2만8000배 더 많은 양이다.
*그레이(Gray, Gy): 방사선의 단위. 1그레이는 물체 1킬로그램당 1줄(Joule)의 에너지를 흡수시키는 방사선 량이다. 과거에는 래드(rad)를 사용하였으나, 현재는 그레이가 표준 단위이다. 100rad가 1Gy에 해당된다. 방사선의 인체 영향을 추정하는 단위인 시버트와는 다르나, X-선이나 감마선인 경우, 1Gy가 1Sv와 같은 것으로 평가한다.
따라서 Deinococcus radiodurans는 세계에서 가장 저항력이 강한 박테리아로 간주되며 영화 캐릭터 "야만인 코난"을 기반으로 "박테리아 코난"이라고도 불린다. 저항성은 두꺼운 세포벽, 박테리아 DNA의 복구 메커니즘, 박테리아 내부의 항산화 효과가 있는 특수 망간 함유 분자에 의해 가능해진다. 이전 연구에서는 망간 항산화제가 많을수록 미생물의 탄력성이 높아지는 것으로 나타났다. 그러면 이 보호 분자는 정확히 어떻게 작동할까?
MDP라고 불리는 디자이너 분자
일리노이 주 노스웨스턴 대학의 Hao Yang이 이끄는 팀은 이제 이 문제를 더 자세히 조사했다. 이를 위해 연구진은 Deinococcus radiodurans를 모델로 한 합성 디자이너 항산화제를 생산하고 전자자기공명분광법(EPR)과 핵자기공명 분석(ENDOR/ESEEM 및 NMR)을 사용하여 그 구조와 특성을 조사했다.
이 분자는 "코난"에서 발견된 것과 같은 10개의 아미노산 사슬인 DP1이라는 데카펩타이드가 인산염 그룹 및 망간 이온(Mn2+)과 결합되어 구성된다. 생산 중 이들 성분의 정량적 비율은 데이노코커스와 마찬가지로 25:3:1이다. 약어 MDP를 사용하여 생성된 인공 구조물은 자유 라디칼을 차단하여 예비 테스트에서 밝혀진 바와 같이 살아있는 세포와 단백질을 방사선 손상으로부터 성공적으로 보호한다.
펩타이드는 망간의 보호 효과를 강화한다.
이제 구조 분석을 통해 MDP의 개별 구성 요소가 인산염, 망간 및 펩타이드의 특별한 공간 배열인 삼원 복합체를 형성한다는 사실도 밝혀졌다. 이 구조는 인산염 또는 펩티드 단독과 결합된 망간보다 더 안정적이다. 또한, 삼중 복합체는 방사선 손상에 대해 훨씬 더 나은 도움을 준다. 테스트에서 생화학자들이 발견한 것처럼 망간-인산염 복합체는 최대 60,000 그레이의 방사선량으로부터 단백질을 보호하는 반면 망간-인산염 복합체는 최대 1만 그레이까지만 보호했다.
노스웨스턴 대학의 수석 저자인 브라이언 호프만(Brian Hoffman)은 “MDP의 뛰어난 방사선 방지 기능을 나타내는 것은 바로 이 삼원 복합체”라고 결론지었다. “우리는 망간 이온과 인산염이 결합하여 강력한 항산화제를 생성한다는 사실을 오랫동안 알고 있었다. 그러나 세 번째 구성 요소를 추가함으로써 생성된 '마법의' 효능을 발견하고 이해하는 것은 획기적인 일이다.”
우주 비행사와 백신 보호
"코난"의 보호 분자에 대한 새로운 지식을 바탕으로 이제 방사선으로부터 사람들을 보호하는 새로운 합성 항산화제가 개발될 수 있다. 공동 저자인 USU(Uniformed Services University)의 Michael Daly는 "MDP에 대한 이러한 새로운 이해는 의료, 산업, 국방 및 우주 탐사 분야에 적용할 수 있는 훨씬 더 강력한 망간 기반 항산화제의 개발로 이어질 수 있다"고 말했다.
따라서 데이노코커스 라디오두란스(Deinococcus radiodurans)에서 영감을 얻은 이러한 항산화제는 우주 임무 중에 강렬한 우주 방사선으로부터 우주 비행사를 보호하거나 핵 사고 중에 지구상의 사람들을 방사선으로부터 보호할 수 있다. 또한 이러한 항산화제는 면역체계를 활성화하는 표면 단백질을 손상시키지 않고 방사선을 이용해 바이러스나 박테리아 등 병원체의 유전물질을 파괴하는 백신 생산을 촉진할 수 있다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; doi: 10.1073/pnas.2417389121)
출처: Northwestern University
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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