폐렴구균 ● 폐렴구균 (Streptococcus pneumoniae)은 폐렴, 뇌수막염, 패혈증등의 원인균이며, 항생제가 처방되지 않았을 경우 치사율은 15% 정도로 매우 ​​높음 (COVID19의 치사율 2%). ● 폐렴구균은 정상균총의 일원으로 인두에 정착하고 소아에서 성인에 감염 수도 있으며, 고령자에서는 이 균이 폐렴의 가장 주된 원인균이고 내성균이 증가함에 따라 치료가 어려운 사례도 증가하고 있음. ● 폐렴구균에는 협막 (capsule)의 구조에 따른 혈청형 (serotype)이 94 종류가 있고, 23 가지 폐렴구균 협막 다당체 백신 (polysaccharide vaccine, PPSV23)과 13 가지 폐렴구균 협막 다당체와 단백질을 결합시킨 결합백신 (conjugate vaccine, PCV13)이 세계적으로 사용되고 있음. ● 결합백신을 사용하기 시작한 이래로 침습성 폐렴구균 질환 (IPD)도 감소하고, 이들 혈철형 균주의 내성균 감소도 보고되고 있으나, 이 백신만으로는 백신에 포함되지 않는 협막 혈청형 균주에 의한 감염증을 예방할 수는 없음. 폐렴구균의 협막 혈청형을 구분할 수 있는 방법은 일부 혈청형들에 대해서만 분자생물학적 유전자 검출방법이 개발되어 있음, ● 본 연구과제에서는 아직까지 개발되지 않는 폐렴구균 혈청형의 유전자 검출 방법과 항생제 내성유전자의 검출 방법을 개발함으로써 세계적인 폐렴구균 감염의 동향을 파악하고 효과적인 백신 접종 계획 및 내성균 억제 방법을 개발하는 근거로 활용하고자 함. 결핵 ● 일본의 공공재단인 결핵예방회 결핵연구소에서는 일본 의료연구개발기구 (AMED)의 감염증 실용화 연구 사업으로 아시아 지역의 결핵균 데이터베이스 (Genome Research for Asian Tuberculosis : GReAT)을 구축하였음. 최근에는 결핵균의 subtype 인 베이징 타입 균주가 동아시아에서 유행하고 있음. ● 베이징 타입 균주의 특징은 ① 결핵의 현증을 나타내는 빈도가 높고, ②BCG 백신의 효과가 낮으며, ③ 감염성이 높고, ④ 항균제 내성 경향이 높은 경향 등이 알려져 있음. 이 균주가 유럽에도 확산되는 추세가 보고되어 세계적으로 문제가 되고 있음. ● 기존의 결핵균 기준 균주인 Mycobacterium tuberculosis H37Rv 균주는 유전학적으로 아프리카 및 미주 지역의 계통에 포함되며, 동아시아 지역의 베이징 타입 균주와는 연관관계가 매우 먼 것으로 알려짐. 따라서, 기준 균주인 H37Rv 균주에 대한 지식을 베이징 타입 균주에 적용하기에는 무리가 있음. ● 본 사업의 S. Mitarai 교수와 국내 연구진은 2019 ~ 21 년도 JSPS-NRF 교류 사업 · 공동 연구 과제를 수행하면서 GReAT의 약 4,000 개 균주의 게놈 정보를 이용한 베이징 균주의 게놈 기준을 확정하고 (Pan-genome TB) 베이징 균주의 자세한 특징을 분석 할 수 있도록 준비를 진행하고 있음.

● 콜레라 독소의 생성 기작은 콜레라균의 병원성 (pathogenesis)를 이해하기 위한 핵심이라고 할 수 있음. Classical biotype 균주의 실험실 배양조건에서 독소 생산은 검증되어 있으나, El Tor biotype 균주의 독소 생성을 유도하는 실험실 배양 조건이 확립되어 있지 않았음. ● 콜레라 독소는 백신 항원 전달 과정에서 면역 반응을 향상시키는 면역 백신보조제 (vaccine adjuvant)로써, 특히 점막 면역 반응을 유도하는데 탁월한 효과를 나타내는 것으로 알려져 있으며 동물실험용으로는 활용될 수 있으나, 인체용으로 활용되지는 못하는 상황임. ● 콜레라 독소와 단백질 구조와 작용기전이 유사한 장독소대장균 (Enterotoxigenic E. coli)의 이열성 독소 (heat-labile toxin)을 2가지 점돌연변이를 도입한 독소가 adjuvant로서 사용되고 있음. ● 독성을 가지는 콜레라 독소는 대장균에서 재조합단백질의 형태로 발현하기 어렵기 때문에 콜레라균 배양을 통해서만 독소를 발현시킬 수 있으며 독소는 1 mg당 200 달러 이상의 가격에 판매되고 있음. ● 콜레라 독소 단백질의 발현을 향상시키는 균주 개발의 국내 특허 (왼쪽), PCT 등록 (중앙) 및 관련 논문 출판 (오른쪽) 연구 지원자는 El Tor biotype 균주의 독소 생성을 유도하는 실험실 배양 조건을 확립하여 국내 특허 (2019년 등록) 및 PCT를 등록하였으며 (2018년 PCT 공개), classical biotype 균주에서도 독소 생성을 4배 이상 향상하는 기술을 개발하여 2020년 논문을 게재하였음. ● 이와 같은 콜레라균의 독소 생성을 유도하는 연구 결과를 활용하여 독소를 균체내에 생산하는 콜레라 균주를 구축함으로써 1) 콜레라 독소의 생산 수율을 높일 수 있는 기술을 개발하고 2) 독성을 제거한 면역 백신보조제 (vaccine adjuvant)로 활용할 수 있는 결과를 도출하며, 3) 사균 백신 접종으로 콜레라 독소에 대한 항체반응을 유도할 수 있는 차세대 콜레라 백신 후보 균주를 구축함

본 사업은 대학원생·신진연구자의 해외 연수 지원을 통해 신약개발과 정밀의료 융합 글로벌 핵심인재 육성 연구임. 연구 목표는 해외 선진 연구기관 연수로 연구역량을 극대화하고 글로벌 습득 경험 지식으로 신약/정밀의료 연구력 수준 향상을 달성하는 데 있음. 신약개발분야는 저분자 화합물 라이브러리 스크리닝, 의약화학, 단백질 구조연구, Biophysical Method, 효능평가 기반 신약 선도물질 최적화 플렛폼 구축 전문인력 양성 연구임. 정밀의료분야는 핵산·단백질 증폭 기반 차세대 분자진단법의 국내 확립과 전파를 위해 UCL·Colorado State University 공동연구 및 인력교류 수행임. 기대효과는 석/박사급 고급 전문인력 공급, 국제화 감각 확보, 국제학술대회 발표 의무화로 최신 동향 학습, 산업체 협력 연구 기반 현장 적용능력 강화임

연구 내용 ● 2가지 다른 콜레라 독소에 대한 면역 반응의 차이점과 콜레라균의 metabolism의 차이점을 밝혀내고 세계적인 대유행을 일으키고 있는 균주들의 특징을 분석하여 어떤 메커니즘과 과정을 통해 특정 균주가 자연선택되어 진화하고 세계적인 population 변화를 가져오게 되는지 근본적인 원인을 규명하고자 함. ● 또한 콜레라균의 진화의 근원을 규명함으로써 가까운 미래에 다시 발생할 것으로 예상되는 콜레라균의 세계적인 population의 변화에 대한 대비책을 준비할 수 있는 기반을 마련하고자 함. 연구 과제를 통해 달성하고자 하는 내용 2가지 다른 유전형의 콜레라 독소에 대한 면역 반응의 차이와 상호 교차 면역 유도 능력, 그리고 2가지 다른 독소를 동시에 생산하는 균주가 유도할 수 있는 면역반응 분석 완료. Classical, Wave 1 El Tor, Wave 2, 3 El Tor 3가지 다른 균주의 탄수화물 대사의 차이 분석 완료. metabolism의 차이점과 균주들 간의 생존 능력의 차이 분석 완료. 3가지 다른 균주들의 서로 다른 탄수화물 대사를 치환한 균주를 제작하여 biotype과 metabolism과의 상관관계 분석 완료. 콜레라 독소와 탄수화물 대사를 다양한 방법으로 조합한 균주를 제작하여 새롭게 등장할 수 있는 변종 균주들을 예측. 다양한 콜레라 균주들에 대응할 수 있는 면역반응 유도 능력이 가장 우수한 백신 후보 균주 도출.