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항생제, 올바르게 알고 복용하자!

“처방된 대로 시간과 기간을 꼭 지켜서 복용해 주세요.”


병원에서 항생제를 처방받을 때마다 꼭 듣는 말이다. 물론 대다수의 약들이 복용 시간이나, 기간을 정확하게 지켜 복용하는 것이 좋지만, 특히 항생제에게 이를 강조하는 이유는 무엇일까? 뿐만 아니라, 감기 등 약을 먹을 때 약의 역사나 그 원리에 대해 안다면 주의사항도 더 잘 이해하고 약을 더 올바르게, 주의해서 먹을 수 있을 것이므로 우리는 오늘 항생제의 역사와 원리에 대해 알아보려고 한다.


항생제의 역사

영국의 과학자 알렉산더 플레밍이 포도상구균 배양 실험을 하던 도중 실수로 이를 푸른곰팡이에 노출되게 하였고, 이때 곰팡이 주변의 포도상구균이 죽어 있는 것을 발견하고 푸른곰팡이에서 세균을 죽이는 성분만을 추출하여 최초의 항생제, 페니실린을 개발하였다는 것은 유명한 일화이다. 하지만 이때부터 페니실린이 널리 사용된 것은 아니다. 페니실린을 푸른곰팡이로부터 정제하는 기술이 없었고, 향균 효과의 지속 시간도 짧아 연구가 잠시 중단되었다가, 9년 후 영국의 하워드 플로리와 에른스트 카인이라는 과학자들이 플레밍의 연구 결과에 흥미를 느끼고 플레밍의 실험적 오류를 수정하며 페니실린의 효과를 증명하였다. 이 공로로 플레밍과 플로리, 카인은 1945년 공동으로 노벨생리학, 의학상을 수상한다.


왼쪽부터 알렉산더 플레밍, 하워드 플로리, 에른스트 카인

그리고 몇 년 후 페니실린의 화학적 구조가 밝혀졌고, 대량 생산이 가능해졌다. 페니실린이 개발된 후 1940년부터 1962년까지는 항생제 발견의 황금기인데, 이때 천연물질 등 다양한 곳에서 물질을 추출하여 100종이 넘는 새로운 항생제가 발견되었다. 그러나 이후 항생제 내성에 대한 문제가 불거지면서 항생제 개발의 정체기를 맞았고, 현재까지도 항생제 내성과의 싸움을 이어오고 있다.

항생제 개발의 역사

항생제의 종류

항생제의 종류는 크게 다섯 가지가 있다.

항생제의 종류

첫 번째로는 세포벽 합성을 억제시키는 방법이 있다. 세균은 펩티도글리칸으로 이루어진 세포벽을 가지고 있는 반면, 인간은 세포벽이 없다. 이러한 특성을 이용하여 세포벽 합성을 억제하는 방식으로 세균을 죽일 수 있다. 이의 대표적인 항생제로는 베타 락탐계, 즉 밑의 그림처럼 베타 락탐 고리를 가지고 있는 분자들이 있다. 우리가 익히 알고 있는 페니실린이 이에 포함된다.


두 번째로는 세포막 투과를 변화시키는 방법이 있다. 세포막은 선택적 능동수송을 하면서 세포 내/외의 고분자 물질과 이온이 균형을 이루게 한다. 그래서 이 종류의 항생제들은 능동수송에 관여하는 세포막의 기능을 변화시켜 세균을 죽인다. 이 방법은 첫번째와는 달리, 사람과 확실이 구분되는 특성을 이용하여 만든 항생제가 아니기 때문에 다량 투여 시 인체의 세포에도 독성을 미칠 수 있다. 대표적인 예시로는 폴리믹신과 암포테리신 B와 같은 항진균제가 있다.

세 번째로는 단백질 합성을 억제시키는 방법이 있다. 단백질은 리보솜을 통해 합성되는데, 밑의 그림처럼 세균과 사람의 리보솜은 70S, 80S로 다르다. 따라서 70S 리보솜의 기능을 억제하는 항생제를 만들어 세균의 단백질 합성을 억제함으로써 향균 작용을 할 수 있다. 이의 예시로는 아미글리코시드, 테트라사이클린 등의 항생제들이 있다.


네 번째로는 핵산 합성을 억제하는 방식이 있다. 세균과 사람의 DNA 복제, 번역, 전사는 방식이 완전히 다른데, 이를 이용하여 그림처럼 세균의 DNA와 RNA의 합성 과정을 억제함으로써 세균을 죽일 수 있다. 이러한 항생제에는 항결핵제로 사용되는 리팜피신이 있다.

항생제의 세균의 DNA 합성 억제

항생제의 세균의 RNA 합성 억제

마지막으로는 엽산 합성을 억제하는 방식이 있다. 엽산은 핵산 합성에서 중요한 역할을 하는데, 인체 세포는 엽산을 할 수 없어서 외부 음식으로 섭취하는 반면, 세균은 자체 합성을 한다. 이 차이점을 이용하여 엽산 합성을 억제하는 방식으로 항생제가 작용한다. 예를 들어, 술폰아미드라는 항생제는 첫 과정에서, 트리메소프림은 세번째 과정에서 작용하여 엽산 합성을 억제한다.

항생제의 엽산 합성 억제

항생제의 내성

그렇다면, 문제가 되고 있는 항생제의 내성은 어떻게 생길까? 처음에는 많은 세균들 중 일부만이 자연적으로 내성을 가지고 있다. 이때 항생제를 쓰게 되면 내성을 가지지 않았던 대부분의 세균은 죽고, 내성균만 남게 된다. 그래서 내성균은 살아남아 증식을 하고, 어떤 내성균은 다른 박테리아에게 내성 유전자를 전달할 수도 있어 더 이상 항생제가 소용이 없게 된다.

항생제의 내성이 생기는 과정

그렇다면 박테리아들은 어떻게 내성을 가져서 항생제를 무력화시킬까? 크게 다섯 가지 방법이 있다.


첫 번째는 항생제를 불활성화 하는 방식이다. 이에는 대표적으로 앞에서 알아본 세포벽 합성을 억제시키는 항생제인 베타 락탐 고리를 가진 항생제들을 파괴하는 베타 락타메이즈를 분비하는 세균이 있다.

두 번째로는 항생제 표적 부위를 변화시키는 방식이 있다. 항생제는 특정 효소나 세포 내 특정 부위를 표적으로 하는데, 표적의 특성이 바뀌면 내성을 갖게 된다. 예를 들어 일부 세균은 penicillin이 결합하는 penicillin 결합 단백질(PBP)를 변형시켜 내성을 갖게 한다.

세 번째로는 항생제의 세포 내 수송을 저하시키는 방식이 있다. 이는 막의 투과성을 낮추어 항생제가 세포 내로 들어가지 못하게 한다.

네 번째로, 항생제를 즉시 세포 밖으로 배출시키기도 한다. 예를 들어, 단백질 합성을 억제시키는 테트라 사이클린이라는 항생제는 내성균의 유출 펌프를 통해 밖으로 배출된다.

마지막으로 새로운 생화학적 경로를 개발하기도 한다. 앞에서 엽산 합성을 억제시키는 항생제가 있다고 하였는데, 일부 항생제 내성 세균들은 외부로부터 이미 만들어진 엽산을 섭취할 수 있도록 대사과정을 변형시켜 엽산의 생합성을 필요로 하지 않는다. 따라서 엽산 생합성을 막는 항생제들에게 내성을 띄게 된다.


항생제와 내성균의 역사를 보면 항생제가 개발이 되면 이에 대한 내성을 가진 균들이 뒤이어 나타났음을 알 수 있다.



또한, 위 그래프는 나라별 항생제 사용 빈도에 따른 내성균의 비율을 나타내고 있는데, 항생제를 많이 쓸수록 내성균이 많이 나타난다는 사실을 알 수 있다. 예를 들어 항생제를 많이 사용하는 대표적인 나라인 프랑스는 내성균의 비율이 50%에 가깝다. 우리나라도 OECD 평균인 19.9%와 비교하여 31.7%로 높은 편이라고 할 수 있다.



현재 전세계적으로 항생제 내성에 의한 사망자가 연간 70만 명에 이르며 2050년에는 1000만 명에 이를 것으로 예상되고 있다. 이처럼 항생제 내성 문제는 굉장히 심각한 것으로, 이를 해결하기 위해 지금도 의학자, 과학자들은 열심히 연구하고 있다. 하지만 무엇보다 중요한 것은 항생제를 무분별하게 쓰지 않는 것으로, 꼭 의사의 처방에 따라 항생제를 복용해야 한다.

 

송시형 학생기자 | Chem-Bio | 지식더하기


참고자료

[1] https://www.kdca.go.kr/

[2] https://patient.info/

[3] https://www.sciencedirect.com/

[4] https://amr-review.org/

[5] https://amrls.umn.edu/

첨부 이미지 출처

[1] https://www.biobasedpress.eu/

[2] https://www.sciencedirect.com/

[3] https://www.kdca.go.kr/

[4] https://thebiologynotes.com/

[5] https://www.alamy.com/

[6] https://www.biomerieux-diagnostics.com/

[7] https://amr-review.org/


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