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원조 페니실린의 염기 서열 분석. 조상 균주는 오늘날의 페니실리움 루벤스의 산업 균주와 매우 유사. 산업 균주와 차이 비교. 산업 균주는 유전자의 일부 사본을 더 많이 가지고 있다. 전체 게놈에 분포돼 페니실린 대사 경로의 조절에 긍정적인 영향을 미친다고 추정.

원조 페니실린 살펴보기
연구원들은 알렉산더 플레밍의 곰팡이 배양에서 DNA를 배열했다.

전설적인 버섯 :
거의 100년 전에 Alexander Fleming은 최초의 항생제 페니실린을 발견했다.
이제 연구자들은 처음으로 곰팡이 배양의 게놈, 즉 항생제 시대를 시작한 곰팡이의 염기 서열을 분석했다. DNA 분석에 따르면 이 조상 균주는 오늘날의 페니실리움 루벤스의 산업 균주와 매우 유사하다. 그러나 중요할 수 있는 몇 가지 차이점이 있다.

▲ 천연 페니실린은 Penicillium chrysogenum과 같은 곰팡이에 의해 형성된다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Penicillium_notatum.jpg

항생제의 시대는 우연히 시작되었다.
1928년 영국의 세균 학자 알렉산더 플레밍(Alexander Fleming)은 휴가 중 우연히 실험실에 포도상 구균이 포함된 세균 배양물을 남겼다. 그가 휴가에서 돌아왔을 때 그는 페니실리움 곰팡이가 영양 배지에 퍼졌다는 것을 발견했다. 그러나 가장 중요한 것은 곰팡이 주변의 모든 박테리아가 죽었다는 것이다. 플레밍은 최초의 항생제 활성 성분 페니실린을 발견했다.

▲ 알렉산더 플레밍(Alexander Fleming) 페니실린 발견자.

한때 플레밍의 페트리 접시에서 자란 곰팡이의 잔재는 오늘날에도 여전히 존재한다.
원래 문화의 일부는 후손을 위해 이 페니실리움 루벤 균주를 보존하기 위해 50년 전에 잘 동결 건조됐기 때문이다. 반면에 항생제 생산을 위해 특별히 사육된 Penicillium 균주가 오늘날 사용되어 가능한 한 가장 높은 페니실린 수율을 생산하고 있다.

Fleming의 버섯 균주 게놈에 대한 우선 조사

최근 영국 연구자들은 플레밍의 버섯 균주를 되살렸다.
Imperial College London의 수석 저자 티모시 바라클로프(Timothy Barraclough)는 “우리는 실제로 완전히 다른 실험을 위해 Alexander의 Fleming의 Penicillium을 사용하고 싶었다. 그러나 놀랍게도 역사적 중요성에도 불구하고 아무도 이 원래 페니실리움의 게놈 서열을 분석하지 않았다는 것을 알았다."

Barraclough, 첫 번째 저자 Ayush Pathak과 그녀의 팀은 이제 그것을 보완했다.
이를 위해 그들은 DNA를 분리하고 해독하기 전에 먼저 플레밍 균주를 몇 주 동안 배양했다. 연구진은 "알렉산더 플레밍이 페니실리움 루벤스에 오염된 세균 배양물에서 페니실린의 효과를 발견한 지 거의 한 세기 후, 현재 그의 원래 균주에 대한 최초의 예비 게놈 서열을 보고하고 있다"고 말했다.

페니실리움의 산업 균주와의 비교

다음 단계에서 그들은 플레밍의 균주가 오늘날 흔히 볼 수있는 이러한 유형의 곰팡이의 두 산업 균주와 유 전적으로 어떻게 다른지를 조사했다.
이들은 1940년대에 곰팡이가 핀 멜론에서 분리된 야생형 페니실리움 루벤으로 거슬러 올라간다. 이들을 비교할 때 Pathak과 그의 팀은 곰팡이가 페니실린을 생산하는 데 사용하는 세 가지 유전자에 특별한 주의를 기울였다.

플레밍의 버섯 배양과 페니실리움 루벤의 산업적 균주 사이에는 큰 유사점이 있지만 몇 가지 눈에 띄는 차이가 있음이 밝혀졌다. 페니실린에 대한 청사진을 포함하는 유전자와 페니실린 생산을 위한 대사 경로를 조절하는 유전자는 모든 균주에서 대체로 동일하다.

미국 변종에서 더 많은 유전자 복제

그러나 이러한 유전자의 양과 위치에는 차이가 있다.
분석에 따르면, 산업 균주는 이러한 유전자의 일부 사본을 더 많이 가지고 있으며 전체 게놈에 분포돼 있다. 과학자들은 이것이 페니실린 대사 경로의 조절에 긍정적인 영향을 미친다고 의심하며, 따라서 이러한 균주에서 항생제의 더 높은 수율을 설명한다.

지금까지는 이러한 돌연변이가 곰팡이 배양 과정에서 축적되었는지 또는 이미 미국 야생 균주에 존재했는지 여부를 확실하게 말할 수 없었다. 그러나 Pathak과 그의 동료들은 이러한 차이가 이미 야생 균주에서 발생했다고 의심한다. 그들은 두 대륙에 약간 다른 영향을 미치는 자연 선택의 결과일 수 있다.

더 나은 항생제를 위한 가능한 도우미

그러나 시퀀싱은 과거로의 흥미로운 여행 그 이상이다.
가능한 많은 페니실리움 균주의 게놈을 아는 것도 잘 알려진 항생제를 개선하는 데 도움이 될 수 있다. Pathak은 “오늘날 페니실린 생산은 가능한 가장 많은 양의 항생제를 생산하는 데 맞춰져 있다”고 말했다.
그러나 그 과정에서 곰팡이의 몇 가지 중요한 유전적 특성을 간과하고 자랄 수 있었다.

따라서 오래된 야생 균주와의 비교는 페니실린을 더 효과적으로 만드는 데 도움이 될 수 있다. 연구진은 "이곳에서 자연 선택으로부터 배울 수 있다"고 말했다.
강력하고 효과적인 항생제의 형성을 촉진한 것은 박테리아와 곰팡이 사이의 확장경쟁이었기 때문이다.
(Scientific Reports, 2020; doi: 10.1038/s41598-020-72584-5)
출처: Imperial College London

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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