예상치 못한 아름다움, 파지가 놀라운 꽃 모양으로 형성되면서 강력한 항균력 강화

박테리오파지(박테리아를 먹는 바이러스)를 정기적으로 다루는 맥마스터 연구원 그룹은 강력한 현미경으로 볼 슬라이드를 준비하던 중 즐겁고 잠재적으로 매우 중요한 놀라움을 경험했습니다.

비공식적으로 파지라고 불리는 샘플을 전자 현미경으로 살아있는 모습을 관찰하기 위해 처리한 후, 연구자들은 이들이 해바라기처럼 생긴 3차원 모양으로 합쳐진 것을 보고 놀랐지만, 그 크기는 불과 0.2mm에 불과했습니다.

조금만 자극하면 자연은 그 분야의 전문가들이 수십 년 동안 인공적으로 만들려고 노력해 온 바로 그런 구조를 만들어냈습니다. 그 구조는 찾기 힘든 박테리아 표적을 찾아내는 데 있어 연결되지 않은 파지보다 100배나 더 효율적인 것으로 밝혀졌습니다.

연구자들은 이러한 구조를 만들 수 있다면, 천연 소재와 공정을 모두 사용하여 다양한 질병을 탐지하고 치료할 가능성이 열린다고 말했습니다.

이들의 연구는 Advanced Functional Materials 저널에 새로 게재된 기사에 설명되어 있습니다 .

최초의 발견은 일상적인 실험실 작업에서 흘러나오는 행복한 우연이었습니다.

바이러스를 죽이는 온도나 용매를 포함하는 일반적인 준비 과정에 샘플 파지를 노출시키는 대신, 저자 레이 티안과 그의 동료들은 대신 고압 이산화탄소로 처리하기로 했습니다. 현재 중국 동남대학교의 수석 연구자인 티안은 박사 과정 학생이었고 나중에는 맥마스터에서 박사후 연구원이었을 때 연구를 이끌었습니다.

연구자들은 미세한 바이러스가 놀라운 일을 하는 것을 보는 데 익숙하지만, 치료를 받은 후에는 파지가 매우 복잡하고 자연스럽고 유용한 형태로 그룹화되는 것을 보고 깜짝 놀랐습니다.

"우리는 이 유익한 바이러스의 구조를 보호하려고 노력했습니다." 티안이 말했다. "그게 우리가 극복하려고 했던 기술적 과제였습니다. 우리가 얻은 것은 자연이 직접 만든 놀라운 구조였습니다."

연구진은 맥마스터에 있는 캐나다 전자현미경 센터의 시설을 사용하여 형성물의 이미지를 촬영했으며, 지난 2년 동안 이 과정을 밝히고 새로운 구조가 과학과 의학에서 어떻게 매우 유용한 목적으로 사용될 수 있는지 보여주었습니다.

"우연히 발견한 것입니다." 논문의 책임 저자이자 나노-생체재료 캐나다 연구 위원장을 맡고 있는 기계 엔지니어인 토히드 디다르가 말했습니다. "고압 챔버에서 꺼내서 이 아름다운 꽃을 보았을 때, 우리는 완전히 정신을 잃었습니다. 이런 일이 어떻게, 왜 일어나는지 알아내는 데 2년이 걸렸고, 다른 단백질 기반 재료로 비슷한 구조를 만들 수 있는 문을 열었습니다."

최근 몇 년 동안, 박테리오파지 생명공학 분야 캐나다 연구 위원장을 맡고 있는 화학 및 생물의학 엔지니어이자 저자인 제이나브 호세이니두스트 연구실의 연구자들은 유익한 바이러스를 살아있는 미세한 직물처럼 서로 연결하고 심지어 육안으로도 볼 수 있는 젤을 형성하도록 하는 기술을 개발함으로써 파지 연구에 큰 진전을 이루었습니다. 특히 감염 탐지 및 퇴치 분야에서 새로운 응용 분야를 개척했습니다.

하지만 최근 발견 이전에는 꽃과 같은 구조의 주름, 정점, 틈새를 통해 재료의 모양과 깊이를 표현할 수 없었습니다.

"이것은 실제로 자연과 함께 건축하는 것입니다." 호세이니두스트가 말했다. "이런 종류의 아름답고 주름진 구조는 자연에서 흔히 볼 수 있습니다. 이런 종류의 구조의 기계적, 광학적, 생물학적 특성은 수십 년 동안 엔지니어들에게 이런 종류의 구조를 인공적으로 건설하도록 영감을 주어, 같은 종류의 특성을 얻고자 했습니다."

이제 연구자들은 그러한 변형을 유발하고 그 과정을 성공적으로 복제할 수 있었고, 파지들이 서로 결합하고 이러한 형태를 취함으로써 달성하는 집단적 효율성에 경탄하고 있으며, 동일한 속성을 사용할 수 있는 방법을 탐구하고 있습니다.

다공성의 꽃 모양의 파지 구조는 복잡한 환경에서도 분산되고 확산된 표적을 찾아내는 데 있어 연결되지 않은 파지 구조보다 100배나 더 뛰어납니다. 저자들은 이 사실을 감염성 질환 연구 분야의 동료들이 만든 DNA자임과 혼합하고 꽃 모양의 구조를 사용하여 상업용 냉각탑 물에서 낮은 농도의 레지오넬라균을 찾아내 증명했습니다.

박테리오파지는 특정 박테리아를 표적으로 삼고 다른 박테리아는 그대로 두도록 프로그래밍할 수 있기 때문에 다양한 감염 형태의 치료제로 다시 부상하고 있습니다.

지난 세기 중반에 페니실린이 도입된 이후 이 분야의 연구는 쇠퇴했지만 항균제 내성으로 인해 기존 항생제의 효과가 계속 떨어지면서 맥마스터 연구원을 포함한 엔지니어와 과학자들이 다시 파지에 관심을 기울이고 있습니다.

꽃 모양으로 연결되게 하는 과정을 발견하면 표적 박테리아를 찾아 죽이는 데 사용하는 것뿐 아니라 다른 유익한 미생물과 물질을 위한 지지대 역할도 하는, 이미 인상적인 특성을 더욱 강화할 수 있습니다.

"자연은 매우 강력하고 지적입니다. 엔지니어로서 우리의 임무는 자연이 어떻게 작동하는지 배우는 것입니다. 그래야 이런 과정을 활용하여 활용할 수 있습니다." 호세이니두스트가 말했습니다.

"가능성은 무한합니다. 이제 우리는 생물학적 구성 요소를 사용하여 구조물을 만들 수 있기 때문입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241021145732.htm