페니실린은 인류 최초의 항생제로, 푸른곰팡이에서 추출된 물질입니다. 페니실린은 인간과 가축에 무서운 전염병을 일으키는 세균을 죽이는 효과가 있어, 제2차 세계대전 이후 수많은 환자의 목숨을 구했습니다. 페니실린은 어떻게 발견되었고, 어떤 원리로 세균을 죽이는지, 그리고 어떤 종류가 있는지 등에 대해 알아보겠습니다.
목차
1. 페니실린의 발견
페니실린의 발견은 우연한 사건에서 시작되었습니다. 1928년 9월, 영국의 미생물학자 알렉산더 플레밍은 포도상구균을 기르던 페트리 접시를 실험실에 두고 휴가를 다녀왔습니다.
휴가에서 돌아온 플레밍은 페트리 접시를 확인하던 중 푸른색 곰팡이가 페트리 접시 위에 자라있고 곰팡이 주변의 포도상구균이 깨끗하게 녹아있는 모습을 발견했습니다. 그는 곰팡이가 포도상구균의 성장을 막고 있다는 것을 알아차렸습니다.
플레밍은 이 곰팡이가 인간이나 동물에게 해롭지 않은 데다 유해한 세균이 자라지 못하도록 억제하는 효과가 있다는 사실을 확인했습니다. 이 푸른 곰팡이를 페니실리움(Penicillium)속에 속했으므로 그 이름을 따서 곰팡이가 만든 물질을 페니실린(penicillin)이라고 불렀습니다. 플레밍은 1929년 연구결과를 ‘영국 실험병리학회지’에 발표했습니다.
그러나 페니실린을 약제로 만드는 데에는 많은 어려움이 있었습니다. 플레밍은 페니실린을 정제하고 안정화하는 방법을 찾지 못했습니다. 다행히 플레밍의 위대한 발견은 오스트리아 출신의 하워드 플로리와 유대계 독일인의 어네스트 체인 덕분에 사장되지 않고 세상에 나올 수 있었습니다.
1939년 옥스퍼드 대학의 플로리와 체인은 페니실린 연구에 착수했고 반년 동안의 노력 끝에 페니실린을 정제해 결정을 얻는데 성공했습니다. 그들은 정제된 페니실린으로 동물실험을 거듭해 1940년 의학 저널 ‘란셋’에 페니실린이 강력한 전염병 치료 효과를 갖고 있다는 연구결과를 발표했습니다.
2. 페니실린의 항균 메커니즘
페니실린은 어떻게 세균을 죽이는 걸까요? 페니실린은 세균의 세포벽을 파괴하는 작용을 합니다. 세균의 세포벽은 세포의 형태를 유지하고, 외부의 물질로부터 세포를 보호하는 역할을 합니다. 세포벽은 펩티도글리칸(peptidoglycan)이라는 복잡한 분자로 이루어져 있습니다.
펩티도글리칸은 당과 아미노산으로 구성된 단위들이 서로 연결되어 있는 구조입니다. 페니실린은 펩티도글리칸의 단위들이 연결되는 과정을 방해합니다.
페니실린은 트랜스펩티다제(transpeptidase)라는 효소와 결합하여, 효소가 펩티도글리칸의 단위들을 서로 연결하는 것을 막습니다. 이렇게 되면 세포벽이 완성되지 못하고, 세포가 부풀어서 터지게 됩니다. 이것이 페니실린의 항균 메커니즘입니다.
페니실린의 항균 메커니즘을 이해하기 쉽게 예시를 들어보겠습니다. 세균의 세포벽은 벽돌로 쌓은 벽과 비슷합니다. 벽돌은 펩티도글리칸의 단위들이고, 시멘트는 트랜스펩티다제가 하는 역할입니다. 페니실린은 시멘트와 결합하여, 벽돌들이 서로 붙지 못하게 합니다. 그러면 벽은 무너지고, 세균은 죽게 됩니다.
3. 페니실린의 임상 사용
페니실린은 인간 대상의 임상시험을 거쳐, 1941년 최초로 인체에 투여되었습니다. 옥스퍼드 대학의 플로리와 체인은 페니실린을 정제하는 과정에서 어려움을 겪었습니다.
페니실린은 곰팡이에서 매우 적은 양만 얻을 수 있었고, 또한 물에 잘 녹지 않았습니다. 그들은 페니실린을 물에 녹이기 위해 시도하다가, 페니실린이 산성 용액에 녹는 것을 발견했습니다.
그러나 산성 용액에 녹인 페니실린은 인체에 투여하면 신체의 알칼리성 환경에 의해 무효화되었습니다. 그들은 페니실린을 알칼리성 용액에 녹이기 위해 여러 가지 화학물질을 사용해 보았지만, 성공하지 못했습니다. 결국 그들은 페니실린을 산성 용액에 녹인 후, 인체에 투여하면서 산성도를 조절하는 방법을 선택했습니다.
페니실린의 최초의 인체 투여 대상은 알버트 알렉산더라는 43세의 경찰관이었습니다. 그는 장미 가시에 찔려서 얼굴에 감염이 생겼고, 전신에 패혈증이 일어났습니다. 그는 모든 치료법을 시도해 보았지만, 효과가 없었습니다. 그는 죽을 위기에 처했습니다. 플로리와 체인은 그에게 페니실린을 투여하기로 결정했습니다.
페니실린은 알렉산더의 상태를 놀라운 속도로 개선시켰습니다. 그의 열이 떨어지고, 상처가 치유되기 시작했습니다. 그러나 페니실린은 곧 부족하게 되었습니다. 플로리와 체인은 페니실린을 회수하기 위해 알렉산더의 소변을 수집했지만, 충분하지 않았습니다. 페니실린이 끊기자, 알렉산더의 상태는 다시 악화되었고, 결국 사망했습니다.
알렉산더의 사례는 페니실린의 효능과 한계를 동시에 보여주었습니다. 페니실린은 강력한 항균 효과를 가지고 있었지만, 양이 너무 적고, 안정성이 떨어졌습니다. 페니실린을 대량으로 생산하고, 품질을 향상시키기 위해 노력이 필요했습니다. 이 노력은 제2차 세계대전의 상황과 연결되었습니다.
페니실린은 전쟁에서 다친 병사들의 감염을 치료하는 데 필수적인 약물이었습니다. 영국 정부는 페니실린 연구에 지원을 했지만, 전쟁으로 인해 자원이 부족했습니다. 플로리는 미국의 연구기관과 제약회사들에게 페니실린의 생산을 요청했습니다.
미국의 과학자들은 페니실린을 생산하는 곰팡이의 종을 개량하고, 발효 공정을 개선하여 페니실린의 양과 품질을 높였습니다. 1943년부터 페니실린은 대량으로 생산되어 전선에 투입되었습니다. 페니실린은 전쟁에서 수백만 명의 목숨을 구했고, 인류의 역사를 바꾸었습니다.
4. 페니실린의 종류
페니실린은 하나의 약물이 아니라, 여러 가지 종류가 있습니다. 페니실린은 페니실린 G와 페니실린 V로 구분할 수 있습니다. 페니실린 G는 페니실린의 원형이며, 페니실린 V는 페니실린 G의 변형입니다. 페니실린 G는 산성에 약해서 구강 내에서 빨리 분해되므로, 주사로 투여해야 합니다.
페니실린 V는 산성에 강해서 구강 내에서 분해되지 않으므로, 경구로 투여할 수 있습니다. 페니실린 G와 페니실린 V는 모두 그람 양성 세균에 효과적입니다. 그람 양성 세균은 세포벽이 두꺼운 세균으로, 페니실린이 세포벽을 파괴하기 쉽습니다. 예를 들어, 폐렴, 결핵, 성병, 패혈증 등을 일으키는 세균은 대부분 그람 양성 세균입니다.
그러나 페니실린은 그람 음성 세균에는 효과가 없습니다. 그람 음성 세균은 세포벽이 얇고, 세포막이 두겹인 세균으로, 페니실린이 세포벽을 파괴해도 세포막이 세포를 보호합니다. 예를 들어, 장염, 요로 감염, 수막염 등을 일으키는 세균은 대부분 그람 음성 세균입니다.
또한 페니실린은 세균이 페니실린에 저항성을 가지는 경우에도 효과가 없습니다. 세균은 페니실린에 저항성을 가지기 위해 베타-락타마제(beta-lactamase)라는 효소를 만들어서, 페니실린을 분해하는 방법을 배웁니다. 베타-락타마제는 페니실린의 분자 구조에 있는 베타-락탐 고리(beta-lactam ring)를 절단하여, 페니실린의 활성을 없애버립니다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 페니실린의 구조를 변형한 새로운 종류의 페니실린이 개발되었습니다. 이들은 페니실린 G와 페니실린 V보다 넓은 항균 스펙트럼을 가지고 있습니다. 즉, 그람 음성 세균이나 베타-락타마제를 만드는 세균에도 효과가 있습니다.
이러한 페니실린의 종류로는 메티실린(methicillin), 아모실린(amoxicillin), 클라빌란산(clavulanic acid) 등이 있습니다. 이들은 페니실린 G와 페니실린 V보다 안정성이 높고, 흡수율이 좋으며, 부작용이 적습니다. 그러나 이들도 모든 세균에 효과가 있는 것은 아닙니다.
일부 세균은 페니실린의 변형된 구조에도 저항성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)은 메티실린에 저항성을 가진 세균으로, 감염이 되면 치료하기 어렵습니다.
5. 결론
페니실린은 인류 최초의 항생제로, 푸른곰팡이에서 추출된 물질입니다. 페니실린은 세균의 세포벽을 파괴하는 작용을 하여, 세균을 죽이는 효과가 있습니다. 페니실린은 우연한 사건에서 발견되었고, 제2차 세계대전의 상황에서 대량으로 생산되었습니다.
페니실린은 수많은 전염병을 치료하는 데 큰 역할을 했고, 인류의 역사를 바꾸었습니다. 페니실린은 여러 가지 종류가 있으며, 각각의 특징과 효능이 다릅니다. 페니실린은 그람 양성 세균에 효과적이지만, 그람 음성 세균이나 페니실린에 저항성을 가진 세균에는 효과가 없습니다. 페니실린은 인류의 건강을 위해 계속 연구되고 개발되고 있습니다.
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