테이코산

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테이코산(Teichoic acid)은 그람양성균의 세포벽에 박혀있는 산성물질로써, 글리세롤 인산(glycerol phosphate) 또는 리비톨 인산(ribitol phosphate)과 탄수화물이 인산다이에스터 결합(phosphodiester bonds)으로 연결되어 있는 중합체이다.

테이코산은 포도상구균(Staphylococcus), 연쇄상구균(Streptococcus), 바실러스(Bacillus), 클로스트리듐(Clostridium), 코리네박테리움(Corynebacterium), 리스테리아(Listeria)와 같은 대부분의 그람양성균 종의 세포벽에서 발견되며 펩티도글리칸(peptidoglycan) 층의 표면 위까지 뻗어 있다. 테이코산은 그람음성균에서는 발견되지 않는다. 테이코산은 펩티도글리칸 층의 N-아세틸뮤람산(N-acetylmuramic acid)이나 D-알라닌(D-alanine)에 공유결합으로 연결되어 있거나, 내막(cytoplasmic membrane)의 지질에 결합되어 있다.¹⁾

펩티도글리칸 층에 공유결합으로 붙어있는 테이코산을 벽테이코산(wall teichoic acid, WTA)라고 하며 내막의 지질에 결합되어 있는 테이코산을 리포테이코산(lipoteichoic acid, LTA)이라고 한다. 

벽테이코산은 그람양성균에서 매우 풍부하다. 고초균(Bacillus subtilis)와 황색포도상구균(Staphylococcus aureus) 같은 그람양성균에서 펩티도글리칸을 구성하는 N-아세틸뮤람산 9개 중 1개 꼴로 40-60개의 알코올 단위체를 가진 벽테이코산이 결합되어 있다. 세포벽 질량의 60%를 차지하는 양이다.

벽테이코산 중합체는 이당결합(disaccharide linkage) 단위체와 인산다이에스터결합으로 이루어진 단위체로 분류되는 두 종류의 단위체로 이루어져있다. 이당결합 단위체는 그람양성세균들 사이에서 매우 보존되어 있으며, N-아세틸만노사민(N-acetylmannosamine)과 N-아세틸글루코사민 1-인산(N-acetylglucosamine 1-phosphate)이 β-(1,4) 결합으로 연결된 화합물에 1개 또는 2개의 글리세롤 3-인산(glycerol 3-phosphate)이 N-아세틸글루코사민의 4번 탄소에 결합된 구조를 가지고 있다. 이당결합 단위체의 N-아세틸글루코사민 1-인산의 인산기와 펩티도글리간의 N-아세틸뮤람산(N-acetylmuramic acid)의 6번 탄소의 수산기와 인산다이에스터결합을 통해 공유결합으로 연결되고 벽테이코산의 남은 인산다이에스터결합 단위체는 이당결합 단위체의 글리세롤 3-인산의 인산기와 인산다이에스터 결합을 통해 공유결합 해 벽테이코산의 전체적인 구조를 형성한다.

리포테이코산은 세포 내막(cytoplasmic membrane)의 다이아실글리세롤(diacylglycerol)과 공유결합을 통해 연결되어 펩티도글리칸에 삽입되어 있는 테이코산이다. 리포테이코산은 세포벽을 녹이는 세포벽 자가용해 효소(autolytic wall enzyme)의 활성을 조절하는 역할을 한다. 벽테이코산은 면역수용체와 특이적으로 결합해 면역반응을 촉진시키기 때문에 내독소(endotoxin)와 유사한 독성을 나타낸다.

테이코산의 가장 주요한 기능은 테이코산이 가진 인산의 음전하로 마그네슘이나 나트륨 같은 양이온을 붙잡는 것이다. 붙잡힌 양이온은 세포 내로 이동되어 사용되기도 하며, 테이코산에 붙어 세포벽의 견고하게 하는데도 쓰인다. 테이코산은 일정양의 양이온을 붙잡고 있음으로써 세포 내의 양이온 항상성을 조절하고, 세포막 근처에 위치하면서 양이온을 필요로 하는 효소들의 활성 유지에 도움을 준다. 또한 테이코산이 붙잡고 있는 양이온에 의해 형성된 세포밖에서부터 안까지의 양이온 농도 구배는 세포 전체의 삼투압 유지에도 기여한다.

테이코산은 다른 생명체와의 연결고리 역할을 하기도 한다. 특정 박테리오파지가 숙주로 삼는 그람양성균의 테이코산을 인식하게 해주는 수용체로 기능하기도 하며, 백혈구 또한 테이코산을 인식해 균에 저항하기 위한 시스템을 작동시킨다. 반대로 일부 감염성 세균은 테이코산을 이용해 숙주 조직에 결합하기도 하며, 테이코산이 숙주 내에서 바이오필름 형성에 중요하다는 연구결과도 있다.

테이코산은 그람 양성 세균의 성장, 분열, 형태에 중요한 역할을 한다. 벽테이코산의 생합성이 느린 균주에서는 펩티도글리칸 층의 두께가 균일하지 않으며, 세포의 크기도 커지고 격벽의 수와 위치에 결함이 생긴다는 것이 밝혀졌다. 고초균(Bacillus subtilis)와 리스테리아 모노사이토게네스(Listeria monocytogenes) 같은 간균은 원래의 모양을 잃고 구의 형태를 띄게 된다는 것도 관찰되었다.

벽테이코산이 생합성되는 과정에서 테이코산이 펩티도글리칸에 연결시켜주는 TarO의 활성이 저해되었을 때 그람양성균이 베타락탐 계열의 항생제에 더 민감성을 가지게 된다는 연구결과가 발표되었다. 이 결과를 비롯해, 많은 연구들이 벽테이코산의 생합성 경로를 타겟으로 한 다재내성 그람양성균 항생제 개발을 목표로 진행되고 있다.

그람양성균의 테이코산 구조D. van der Es, W.F. Hogendorf, H.S. Overkleeft, G.A. van der Marel, J.D. Codee, Teichoic acids: synthesis and applications, Chem Soc Rev, 46 (2017) 1464-1482. ()

벽테이코산의 합성경로 (출처: 하남출/서울대)

하남출/서울대학교

조유희/차의과학대학교

1. S. Brown, J.P. Santa Maria, Jr., S. Walker, Wall teichoic acids of gram-positive bacteria, Annu Rev Microbiol, 67 (2013) 313-336.