시드로포어

시드로포어(siderophore)는 철(iron)을 의미하는 sidero-와 운반체(carrier)를 의미하는 -phore가 합쳐져 철운반체(Iron carrier)를 의미하는 그리스어에서 유래한 용어로서, 철과 강하게 결합하는 저분자(400-1,000 kDa)의 iron-chelating 물질을 의미한다.

목차

시드로포어는 미생물이 합성하여 외부에 분비하는 물질로 철과 결합하여 철을 세포 내부로 수송하는 역할을 한다. 철은 전자전달과 DNA 합성에 필수적인 금속으로 자연계에 흔한 금속이지만, 생명체가 쉽게 사용하기 어려운 상태로 존재한다. 예를 들면, 산소가 존재할 때 2가 철이온 (ferrous ion, Fe²⁺)은 쉽게 3가 철이온 (ferric ion, Fe³⁺)으로 산화되는데, 3가 철이온은 중성 pH에서 물에 거의 녹지 않는 Fe₂O₃나 Fe(OH)₃ 형태로 존재하게 된다. 따라서 산소가 있는 조건에서는 철이온이 생명체들이 흡수하기 어려운 불용성 형태로 존재하기 때문에, 생명체들은 생명현상에 필수적인 철을 이용하는데 많은 어려움을 가지게 된다. 이런 어려움을 극복하기 위하여 미생물들은 시드로포어를 분비하여 수용성의 Fe³⁺을 확보한다. 시드로포어와 Fe³⁺와의 결합력(association constant)은 10¹²에서 10⁵²로 아주 강하다. 시드로포어는 구조적으로 크게 세 종류로 나뉘어진다. Catechol(ortho 형태의 benzenediol)을 가진 catecholate (phenolate) 형태, hydroxamic acid 구조를 가진 hydroxamate 형태, catechol과 hydroxamic acid를 모두 가진 mixed 형태 세 종류가 존재한다. Fe³⁺는 강한 Lewis acid 이기에 강한 Lewis base인 음이온 또는 중성 형태의 산소와 강하게 결합한다. 그러므로 Fe³⁺는 시드로포어에 존재하는 2개 이상의 산소와 강하게 결합하는 것이다. 일반적으로 시드로포어는 철이 부족한 상황에서만 만들어진다. 철이 세포 내부에 충분할 때는 Fe²⁺와 결합한 Fur(ferric uptake regulator)와 같은 전사억제인자에 의해 시드로포어 합성 유전자의 발현이 억제된다.

Catechol 구조를 가진 시드로포어를 말한다. 장내세균(enteric bacteria)이 분비하는 enterobactin, Bacillus subtilis가 분비하는 bacillibactin, Vibrio cholerae가 분비하는 vibriobactin 등이 catecholate 형태 시드로포어에 해당된다. Fe³⁺를 결합한 catecholate 형태 시드로포어는 세포 내부로 수송되고, 이후 효소 반응에 의해 Fe³⁺를 시드로포어에서 분리시킨다.

Hydroxamate 구조를 가진 시드로포어를 말한다. Hydroxamate는 NH center의 H 대신 OH group을 가진 amide group의 물질을 말한다. Acinetobacter baumannii 가 분비하는 aerobactin, Ustilago가 분비하는 ferrichrome, Streptomyces coelicolor가 분비하는 desferrioxamine B, Burkholderia cepacia가 분비하는 ornibactin 등이 hydroxamate 형태 시드로포어에 해당된다. Fe³⁺를 결합한 hydroxamate 형태 시드로포어는 세포 내부로 수송되고, 이후 Fe²⁺로 환원시켜 시드로포어에서 분리시킨다. Fe²⁺는 hydroxamate 형태 시드로포어와의 결합력이 아주 약하기 때문에 시드로포어에서 쉽게 떨어져 나온다.

Catechol 구조와 hydroxamate 구조를 모두 가진 시드로포어를 말한다. Yersinia pestis가 분비하는 yersiniabactin, Pseudomonas aeruginosa가 분비하는 pyoverdine, Azotobacter vinelandii가 분비하는 azotobactin 등이 mixed 형태 시드로포어에 해당된다.

그림 1. 시드로포어의 종류. 출처: 이창로/명지대

기본적으로 시드로포어는 환경에서 부족하지만 미생물의 성장에 반드시 필요한 미량영양소인 철을 확보하기 위한 기작이다. 시드로포어는 특별히 병원성 미생물이 철이 부족한 숙주 내에서 살아가는데 아주 중요한 인자라는 사실이 밝혀져 있다. 사람도 철을 확보하기 위한 물질인 lactoferrin, transferrin, ferritin 등을 발현하기 때문에 병원성 미생물은 숙주내에서 철을 두고 숙주와 심한 경쟁을 벌여야 한다. 그러므로 숙주내에서 철을 확보하는데 중요한 시드로포어를 합성하지 못하는 균주는 숙주내에서 살아남기 힘들다. 예를 들면, 사람에게 폐렴 등의 다양한 병을 유발하는 Klebsiella pneumoniae, 여러 항생제에 강한 내성을 나타내는 Acinetobacter baumannii 같은 균주에서 시드로포어를 합성하지 못하는 균주의 경우 병원성이 급격하게 떨어진다¹⁾²⁾. 철의 이런 중요성 때문에 많은 병원성 미생물은 숙주의 ferritin, heme 등으로부터 철을 빼앗는 기작도 가지고 있다. 예를 들면, 병원성 세균인 Bacillus cereus는 표면에 존재하는 단백질(IlsA)이 ferritin receptor로 작용하여 ferritin으로부터 철을 분리하는 것을 촉진하여 시드로포어인 bacillibactin이 철에 결합할 수도록 유도하는 것으로 짐작된다(그림 2)³⁾. 이처럼 숙주와 병원균은 철을 두고 심한 경쟁을 할 정도로 철은 아주 중요한 미량영양소인 것이다.

그림 2. 시드로포어와 ferritin receptor를 이용한 ferritin으로부터 철 획득 모델(출처: )

(1)철이 부족한 환경에서 B. cereus는 IlsA를 발현하여 세포 표면에 배치함. IlsA는 ferritin과 결합할 수 있음.

(2)IlsA와의 결합에 의해 ferritin의 구조가 변해 ferritin 내부의 철이 노출됨.

(3)노출된 철을 철에 대한 강한 결합력을 지닌 bacillibactin 시드로포어에 의해 포획됨. 철-시드로포어 결합체는 병원균 내부로 수송된 후 철이 시드로포어에서 분리됨.

바다물은 담수에 비해 철의 농도가 훨씬 낮다⁴⁾. 그러므로 이런 낮은 철 농도가 식물성 플랑크톤(phytoplankton)의 성장을 억제하는 주요 원인으로 여겨지기도 한다. 그러므로 철을 공급해 주었을 때 식물성 플랑크톤의 성장이급격하게 촉진되는 것을 확인할 수 있다. 이런 현상을 철의 비옥화(iron fertilization)라고 부른다.

이창로/명지대학교

이진원/한양대학교

1. Russo TA, Olson R, MacDonald U, Beanan J, Davidson BA. 2015. Aerobactin, but not yersiniabactin, salmochelin, or enterobactin, enables the growth/survival of hypervirulent (hypermucoviscous) Klebsiella pneumoniae ex vivo and in vivo. Infect. Immun. 83: 3325-3333.
2. Gaddy JA, Arivett BA, McConnell MJ, Lopez-Rojas R, Pachon J, Actis LA. 2012. Role of acinetobactin-mediated iron acquisition functions in the interaction of Acinetobacter baumannii strain ATCC 19606T with human lung epithelial cells, Galleria mellonella caterpillars, and mice. Infect. Immun. 80: 1015-1024.
3. Segond D, Abi Khalil E, Buisson C, Daou N, Kallassy M, Lereclus D, Arosio P, Bou-Abdallah F, Nielsen Le Roux C. 2014. Iron acquisition in Bacillus cereus: the roles of IlsA and bacillibactin in exogenous ferritin iron mobilization. PLoS Pathog. 10: e1003935.
4. Rue EL, Bruland KW. 1995. Complexation of iron(III) by natural organic ligands in the Central North Pacific as determined by a new competitive ligand equilibration/adsorptive cathodic stripping voltammetric method. Mar. Chem. 50: 117–138.