의료 관계자들이 어떤 문제를 “악몽”, 혹은 “대재앙”이라는 단어를 사용한다면 그것은 주의를 기울여야 한다는 신호입니다.
현대 사회는 항생제가 소용없는 박테리아와의 전쟁에서 패배해 왔습니다. 지난 세기 동안 수백만의 생명을 살린 항생제는, 인간의 약물학적인 공격으로부터 살아남기 위해 진화한 수많은 슈퍼버그(항생제로 쉽게 제거되지 않는 박테리아)의 등장으로 무력해지고 있습니다.
미국 질병통제예방센터(Centers for Disease Control)가 ‘악몽의 박테리아(nightmare bacteria)’라고 일컫는 슈퍼버그는, 현재 이에 맞설 새로운 항생제가 부족한 상황인데요. 이로 인해 영국의 수석 의학 고문을 포함한 몇몇 전문가들은 일반적 감염, 수술, 결핵, 심지어 종이에 베인 사소한 상처로 인해 죽음에 이를 수도 있는, 포스트 항생제 시대의 ‘대재앙’을 경고했습니다.
이러한 상황에서, 사이언스지의 새 논문이 희망적인 연구결과를 발표했습니다. 해당 연구진은 GPU 가속 슈퍼컴퓨터의 시뮬레이션과 랩 연구를 통해, 감염의 주된 원인인 포도상구균 박테리아를 퇴치하기 어려운 원인을 발견했는데요. 이 연구는 현재 치료하기 어려운 박테리아에 대한 새로운 치료제 개발에 방점이 될 전망입니다.
초강력 접착제보다 강력한 박테리아
일리노이 대학교(University of Illinois)의 벡크먼 연구소(Beckman Institute)와 뮌헨 대학교(University of Munich)의 연구진들은 포도상구균 감염의 한 종류로 알려진 메티실린 내성 황색포도상구균(Methicillin-resistant staphylococcus aureus, 이하 MRSA)에 대해 연구했습니다. 이 박테리아는 항생제에도 효과가 없어 조치를 취하지 않고 그대로 두면 폐혈증, 심하면 사망에 이르게 할 수 있는데요.
연구진들은 MRSA가 숙주인 인간의 몸에 매우 밀접하게 붙어있을 수 있는 메커니즘을 발견했습니다. 일련의 수소 결정이 나선형으로 연결되어있으며, 강력 접착제처럼 박테리아 단백질 분자를 인간의 체내에 접착시키는 역할을 합니다. 다음 단계로, 압력을 받고 있는 분자 결합체들의 강도를 결정하기 위해 연구진은 두 가지 타입의 분자를 분리하는 시도를 했습니다.
벡크먼 연구소의 연구원인 라파엘 베르나르디 (Rafael Bernardi)는 “박테리아는 인간의 몸에 잘 붙어있기 때문에 떼어내기가 매우 어렵습니다. 수소 결정체 하나 정도는 떨어뜨리기 쉽지만, 모든 결합체를 한번에 떼어내는 것은 어려운 일입니다”라고 말했습니다.
결합 분자에 대한 연구
병원이나 요양원과 같이 병약한 환자들이 많은 곳에서 포도상구균 감염은 매우 흔한 일인데요. 전고관절 대치술에 사용되는 이식용 의료기구나 심박 조율기 표면에 박테리아가 붙어있을 가능성이 있어 위험합니다.
연구진은 두 가지 방법을 사용하여 MRSA 감염 퇴치가 어려운 이유를 밝혔습니다. 뮌헨대학교 연구진은 고해상도 원자간력 현미경을 사용해 인간으로부터 박테리아 분자를 물리적으로 떼어내려고 시도했습니다. 벡크먼 연구소의 연구진 역시 일리노이 대학교의 GPU로 구동되는 블루 워터(Blue Waters) 슈퍼컴퓨터로 2,400개의 분자 역학 시뮬레이션을 실행하여 동일한 연구를 시도했습니다.
두 곳의 연구 결과는 같았는데요. 두 팀 모두 MRSA를 깨뜨릴 수 없는 원인으로 매우 강력한 수소 결합을 꼽았습니다.
베르나르디 연구원은 “연구진은 주로 두 가지 방법을 시도하여 그 사이에서 괜찮은 합의점을 찾곤 하는데, 이 경우는 놀라울 따름입니다. 시뮬레이션을 통해 초 단위로 모든 분자를 관찰할 수 있었으며 현미경을 사용할 때보다 훨씬 많은 세부사항을 확인할 수 있었습니다” 라고 설명했습니다.
새로운 치료의 가능성
베르나르디 연구원은 오로지 블루 워터의 GPU 노드만을 이용하여 실험을 진행했으며, CUDA 가속화 분자역학 및 시각화 소프트웨어를 사용했는데요. 그는 GPU 없이는 이처럼 수많은 시뮬레이션을 통해 정확한 결과물을 얻을 수 없었을 것이라고 말했습니다.
또한, 그는 “다른 분야에서도 우리가 포도상구균 감염 치료방안에 새로운 전략을 개발하는 데 학습한 것들을 이용할 수 있었으면 좋겠습니다”라고 소감을 밝혔습니다. 제약회사가 같은 방식을 이용해 뼈의 형성을 막거나 약화시킬 수 있는 것들에 대한 치료책을 개발하는 것이 하나의 예시입니다.
*상단의 이미지는 박테리아 감염의 초기 상황을 보여주기 위한 그림입니다. 아래 그림은 의학적 이식기기의 표면을 덮은 체내 단백질의 모습을 형상화했습니다. 색깔이 있는 막대는 감염을 유발하는 박테리아입니다. 가운데 있는 박테리아 아래의 투명한 것은 박테리아를 표면에 심는 단백질구조입니다. 미 국립보건원 고