페니실린은 어떻게 세균의 벽을 무너뜨리나

페니실린은 세균이 세포벽을 만드는 과정을 방해해 세균을 죽이는 항생제다. 세균은 자라고 분열할 때마다 세포벽을 새로 짓고 고친다. 페니실린은 이 공사에서 벽의 재료를 서로 단단히 엮는 효소에 달라붙어 일을 못 하게 한다. 벽이 제대로 엮이지 않으면 세균은 안쪽의 압력을 견디지 못하고 터진다. 사람의 세포에는 이런 세포벽이 없어서, 페니실린은 세균만 골라 공격할 수 있다.

세균에게 세포벽은 왜 중요한가

세균의 안쪽에는 여러 물질이 진하게 녹아 있어서, 바깥에서 물이 계속 스며들려 한다. 이 삼투압 때문에 세균 내부는 늘 바깥쪽으로 강하게 밀어내는 압력을 받는다. 세포막만으로는 이 압력을 견딜 수 없다. 세균을 감싼 단단한 세포벽이 풍선을 감싼 그물처럼 형태를 지켜 준다.

세포벽의 주재료는 펩티도글리칸이라는 물질이다. 당이 길게 이어진 사슬들을 짧은 아미노산 다리가 가로로 엮어 그물 같은 구조를 만든다. 가로로 엮는 이 다리가 벽의 튼튼함을 결정한다.

페니실린은 어디를 공격하나

당 사슬을 가로로 엮는 일은 세균의 효소가 한다. 이 효소들은 페니실린과 잘 결합한다는 이유로 페니실린 결합 단백질이라는 이름을 얻었다. 페니실린 분자에는 베타락탐 고리라는 독특한 네 원자짜리 고리가 있는데, 이 모양이 효소가 원래 다루는 재료와 닮았다. 효소는 페니실린을 재료로 착각해 붙잡고, 그 순간 베타락탐 고리가 열리며 효소와 단단히 결합해 버린다. 효소가 망가지니 벽을 엮는 공사가 멈춘다.

그런데 세균은 자라는 동안 기존 벽을 조금씩 허물며 새 재료를 끼워 넣는다. 허무는 일은 계속되는데 엮는 일만 멈추면 벽 곳곳에 약한 지점이 생긴다. 결국 안쪽의 압력이 그 틈을 터뜨린다. 그래서 페니실린은 활발히 자라고 분열하는 세균에 특히 잘 듣는다.

왜 어떤 세균에는 잘 듣지 않나

세균은 세포벽 구조에 따라 크게 둘로 나뉜다. 그람 양성균은 두꺼운 펩티도글리칸 벽이 바깥에 드러나 있어 페니실린이 쉽게 닿는다. 그람 음성균은 얇은 벽 바깥을 또 하나의 막이 감싸고 있어서, 페니실린 같은 분자가 안으로 들어가기 어렵다. 그래서 원래의 페니실린은 주로 그람 양성균에 잘 듣고, 그람 음성균까지 겨냥하려고 구조를 바꾼 다른 베타락탐 항생제들이 개발되었다.

구분	그람 양성균	그람 음성균
세포벽	두껍고 바깥에 드러남	얇고 바깥막이 감쌈
페니실린 접근	쉬움	어려움
대표적인 예	포도알균, 사슬알균	대장균

세균은 어떻게 페니실린을 피하게 되었나

페니실린이 널리 쓰이기 시작하자 곧 내성균이 나타났다. 가장 흔한 방법은 베타락탐 고리를 잘라 버리는 효소, 베타락타마아제를 만드는 것이다. 고리가 잘린 페니실린은 더 이상 효소에 달라붙지 못한다. 어떤 세균은 페니실린이 잘 결합하지 못하는 모양으로 벽을 엮는 효소를 바꾸고, 어떤 세균은 약을 밖으로 퍼내는 펌프를 갖춘다.

이에 맞서 베타락타마아제를 막는 물질을 함께 섞은 약, 효소의 공격을 덜 받도록 구조를 바꾼 약이 개발되었다. 항생제와 세균 사이의 이런 경쟁은 지금도 계속되고 있다. 메티실린 내성 황색포도알균처럼 여러 항생제에 듣지 않는 세균은 병원 감염의 큰 문제가 되었다.

남은 과제

페니실린 계열은 지금도 가장 많이 쓰이는 항생제 가운데 하나지만, 내성은 쓰면 쓸수록 퍼진다. 꼭 필요할 때만 정해진 기간 동안 항생제를 쓰는 것이 내성을 늦추는 가장 기본적인 방법이다. 새로운 원리로 세균을 공격하는 항생제의 개발은 수십 년 동안 더디게 진행되어 왔고, 경제적으로 보상이 적다는 점도 걸림돌이다. 세포벽처럼 사람에게는 없고 세균에게만 있는 새로운 표적을 찾는 연구가 이어지고 있다.