페니실린

페니실리움(Penicillium)[1] 속의 푸른곰팡이가 분비하는 타감물질로, 다세포생물에게는 무해하면서도 특정 세균만 세포벽을 녹여 죽이는 성질이 밝혀진 인류 역사상 최초의 항생제. 대표적으로 '페니실리움 노타툼(Penicillium notatum)' 즉, '페니실리움 크리소게눔(Penicillium chrysogenum)'[2]이라는 푸른곰팡이에서 추출한다.

최초의 발견 사례는 1928년 9월 28일 새벽에 영국의 생물학자 알렉산더 플레밍이 우연히 발견했다. 실험을 위하여 샬레에 포도상구균을 배양하고 휴가를 갔다 왔는데 하필 샬레의 뚜껑을 제대로 닫지 않았고, 다시 연구실에 돌아와보니 뜬금없이 어디선가 날아온 괴상한 곰팡이가 포도상구균을 전부 먹어치워버린 것이다.

이 곰팡이가 대체 어디서 온 것인가는 말이 많다. 그냥 창밖에서 곰팡이가 날아왔다는 설도 있고, 플레밍의 실험실 바로 밑층이 곰팡이 실험실이라 거기서 넘어왔다는 설도 있고... 다만 확실한 것은 만약 그가 포도상구균을 성공적으로 배양하고 뚜껑만 제대로 닫아 푸른곰팡이가 들어오지 않았다면 페니실린의 발견은 한참 미뤄졌을 것이다. 이처럼 푸른곰팡이를 발견한 계기 자체는 순전히 우연이었던 셈이다.

본인의 실수로 졸지에 실험을 망쳐버렸다고 할 수 있었겠지만, 관찰이 끝난 표본을 바로 처분하지 않고 한동안 묵혔다가 다시 한번 들여다보는 기묘한 버릇이 있었던[3] 플레밍은 샬레를 폐기처분하는 대신에 세균을 먹어버린 그 곰팡이의 (정확히는 푸른곰팡이의) 성질을 연구함으로써 페니실린을 발견하게 된 것이다.

제2차 세계 대전을 전후로 이 푸른곰팡이가 만드는 분비물로 만든 항생제는 수많은 생명을 구하였다. 이는 인류의 가장 위대한 발명 중 하나로 손꼽힌다. 만약에 페니실린 연구가 없었다면, 현대의학은 지금보다 몇 세대는 뒤처져 있었을 것이다. 페니실린 이후에 비슷한 개념과 방법으로 수많은 오만가지 항생제가 우후죽순 연구되면서 다양하고 참신한 방법들로 백신과 항생제가 본격적으로 개발이 가속되어 인류는 질병과의 싸움에서 엄청난 혁신과 진보를 이루어내게 됐으니, 실험에 실패한 부산물에 대한 어느 과학자의 흥미가 만들어낸 실로 거대한 업적이라고 할 수 있다.

페니실린은 박테리아, 즉 세균의 세포벽을 합성하는 효소를 날려버려서 세포벽이 자라지 못하게 한다. 그 결과 세균 세포가 분열을 시도할 때 둘로 나뉜 부분에 격벽이 생기지 않아 내용물이 흘러나오면서 죽게 된다. 영상에서 왼쪽. 따라서 생식능력에 문제가 있거나 번식을 포기한 세균들만이 살아남고, 이들은 몸의 면역력 때문에 자연박멸된다. 세균과 달리 인체세포와 같은 동물세포에는 세포막이 있을 뿐 세포벽이 아예 존재하지 않아서, 페니실린이 아무런 악영향도 미치지 않는다.[4] 인체에 공존하는 수많은 이로운 미생물들도 싸그리 죽여버리는 부작용도 있지만, 원래 항생제란 것이 대부분 다 그런 식으로 작용하는 것이라 크게 해로울 것은 없고 항생효과가 끝나가면 몸 속의 미생물들은 별 문제 없이 다시 번식을 시작하므로 혹여라도 이러한 점을 걱정한다면 안심해도 좋다.

하지만 초창기의 페니실린은 온도, 환경 등이 무진장 적절해야 살아날 수 있을 정도로 민감했다. 게다가 발견 당시에는 천연 페니실린을 다량으로 생산할 수 없었고, 몸에 투여한 후에도 반감기가 30분 이내로 짧아 쉽게 배설되는 문제가 있어 실제로 질병 치료에 이용되지는 못하였다. 페니실린이 발견될 때의 곰팡이 종류가 워낙 생장이 느렸던 데다, 공기와 상시로 접촉하지 않으면 곧바로 사멸하는 민감한 종이었다. 공기펌프를 쓰는 대용량 배양탱크를 쓸 수 없을 정도로 민감했기에 실험실 수준의 규모로만 생산될 수 있었다.

2차 세계대전이라는 힘든 정세인 데다 신약에 대한 제약회사들의 망설임까지 겹쳐 값은 비싸고 양도 터무니 없이 적었다. 그 생산된 양을 재사용하기 위해 투약 환자의 소변에서 페니실린을 추출하여 다시 써야 할 정도였다. # 가끔 플레밍의 제자들이 눈병 치료에 좋다고 연락을 하는 등 효과는 좋았지만, 지극히 부족한 양 때문에 매우 안타까운 상황이었다. 이 와중에 "설파제"[5]란 것이 발견되자 플레밍은 불안정한 페니실린을 제쳐두고 그쪽을 집중적으로 연구했다.

한편 영국 옥스퍼드대학교의 플로리와 체인은 플레밍이 예전에 발견했던 라이소자임[6]을 연구하다가, 점차 페니실린에도 다시 관심을 가지게 되었다. 마침내 그들은 플레밍과 비슷하게 페니실륨을 만들어냈고, 화학적 처리를 통해 가루 형태로 만들어냈다. 그들은 즉시 쥐들에게 약을 주사하여 효과를 관찰했고, 24마리 중 23마리가 살아남는 결과를 발표했다. 플레밍은 이를 보고 즉시 옥스퍼드대학교에 달려가서 자신의 초기 페니실린 표본을 줬고, 플로리와 체인은 이를 더욱 연구하여 한 사람에게 쓸 수 있을 만큼의 양을 만들고, 세균에 감염된 환자에게 주사한 결과 병을 치료할 수 있었다. 하지만 역시 페니실륨의 양이 부족하여 치료를 중단했고, 안타깝게도 그 환자는 병이 다시 악화되어 사망했다.

이로써 그들은 이 물질이 사람에게도 효과가 있음을 알아채고, 더욱 연구를 했다. 그때가 한창 2차 대전 중이라서 연구시설이 공습을 받을 것을 우려했고 대량생산에 필요한 자금을 구할 수도 없었지만, 미국의 록펠러 재단에서 지원해주겠다는 연락이 오자 그들은 모든 자료를 들고 미국으로 날아가서 공장을 세운다. 결국 페니실린 크리소게눔[7]이란 종이 발견되어서야 배양액 탱크에 공기를 불어넣는 방법으로 대량생산이 가능해졌다. 이렇게 하여 완성된 페니실린은 알약 형태로 만들어졌다. 이러한 문제가 해결된 2차 대전 이후에 페니실린이 본격적으로 사용되었으며, 박테리아로 인한 병을 치료하여 많은 생명을 구하였다. 이러한 공로로 플레밍 경은 페니실린을 대량 생산하는 방법을 고안한 플로리(Howard Walter Florey), 체인(Ernst Boris Chain)과 함께 1945년에 노벨상을 수상하였다.

하지만 박테리아는 방사능 오염지역, 화산, 북극, 심지어 우주에서도 살아남는 생존왕스러운 명성을 가지고 있었기에,[8] 몇 년도 지나지 않아 페니실린을 파괴하는 '베타-락타메이스[9](Beta-lactamase)'라는 내성을 가진 박테리아도 등장했다. 그 후, 1959년에 나온 메티실린과 같은 합성 페니실린은 베타-락타메이스에 가수분해되지 않도록 화학적 구조변경을 하였으나, 1961년 세포벽 합성 효소의 구조에 돌연변이가 생겨 아예 페니실린 계열의 항생제가 듣지 않는 MRSA[10]가 등장했다. 그 후 지금까지 이래저래 세균과 인간의 물고 물리는 전쟁이 진행 중이다.

이후 채산성이 안 맞아서 푸른곰팡이에서 추출하는 페니실린은 생산 중지되었다. 비록 MRSA와 같은 몇몇 위험한 균들은 페니실린에 대한 내성을 가지고 있고, 또 상술했듯이 페니실린은 내성균이 잘 생기는지라 강력한 항생제는 아니지만, 매독 등 몇몇 질환에서 매우 탁월한 효과를 보여준다. 특히 매독의 경우 2기까진 페니실린 주사 몇 번으로 완치될 정도로 특효. 현재 나오는 페니실린계 항생제는 모두 인공적으로 합성된 제품들이다.

최초 발견자라는 트로피를 제외한다면 페니실린 발전사에 대해 플레밍의 기여도는 거의 없다시피하다는 것이 의학사 연구자들의 견해이며, 실제로는 하워드 플로리와 에른스트 체인이 최대 공로자라고 하는 것이 정설이다. 패혈증에 대한 페니실린의 효과를 규명한 논문을 쓴 것도 이들이며, 플레밍은 페니실린 추출의 어려움에 부딪혀서 지지부진한 이후로는 이 연구에 관심을 끊기도 했다. 페니실린의 효과가 널리 알려지자 그 유명세가 플레밍으로 향하긴 했지만 최초 발견자 이상의 의미는 없다는 것이다. 또한 그나마 3명이 함께 노벨상을 받아 이름을 남긴 반면에, 페니실린 연구의 중요한 계기를 마련한 르네 듀보스[11]와 페니실린의 대량생산을 가능케 한 허친슨 루소의 이름은 잊혀지다시피 했다. 이 때문에 플레밍의 업적은 각종 협업으로 진행되는 현대 과학의 본질을 제대로 인지하지 못하고 그저 영웅서사만을 원하는 대중의 관성을 꼬집기 위한 사례로써 종종 거론되기도 한다.

다만, 이러한 지적은 과학적 업적, 공헌과 산업적 업적, 공헌을 혼동한 착각이다. 듀보스의 그라미시딘 연구는 이후 세계 최초로 상업화에 성공한 항생제로서 그 자체로 의미있는 연구인 것은 맞지만 플레밍의 첫 발견 후 11년이나 지난 나중의 일이다. 허친슨 루소가 화이자의 의뢰로 페니실린의 대량생산 공정을 가능케한 것 또한 사실이지만, 이는 공학적이자 산업적으로 더 의미있는 업적이지 과학적 업적과는 구분될 수밖에 없다. 예를 들어 뉴턴 역학의 존재와 가능성을 이용해서 뉴턴 본인이 상상도 하지 못한 다양한 공학의 산물과 산업 제품들이 생산되고 있지만, 그 누구도 이 때문에 아이작 뉴턴이 "뉴턴 역학"이라는 과학적 업적을 얻을 자격이 없다고 논하지는 않는다.

플레밍의 발견이 우연적인 것이란 것과 페니실린의 실질적 개발에 플로리와 체인의 공헌이 더 컸다는 점은 부인할 수 없지만, 듀보스의 그라미시딘 연구나 루소의 생산공정 개발이 이들의 업적과 동일하다거나 우선시 되어야 한다는 주장은 단순한 역사 수정주의적 관점의 산물에 불과하다. 우연이든 아니든 "항생제"라는 존재를 역사 처음으로 발견하고 인류에 알린 플레밍의 업적은 그 자체만으로도 과학적, 의학적으로 중요한 업적이며 실제 이를 인류가 사용 가능토록 한 플로리와 체인의 업적도 마찬가지이다.

페니실린(Penicillin)은 '베타 락탐 고리(Beta-lactam ring)'를 기본 구조[12]로 하여 이루어지는 항생물질이다. 이 Beta-lactam ring은 Lactone과 Amide가 합쳐져 이루어지며, Lactone은 고리의 모양에 따라 이름이 달라진다. 그중 사각형의 고리를 갖고 있는 것이 Beta. 여기에 Thiazolidine이 결합해 최종적인 Penicillin 구조가 완성된다.

페니실린의 '베타 락탐 고리(Beta-lactam ring)', 이것이 박테리아 세포벽의 펩티도글리칸의 연결을 방해한다. 불행히도 펩티도클리칸이 외부막과 내부막 사이에 있는 그람 음성균에게는 통하지 않는다. 게다가 박테리아들도 진화하여, 저 베타 락탐 고리를 방해하는 효소를 가진 녀석들이 등장했다. 하지만 페니실린 또한 진화하여 암피실린(ampicillin), 아목시실린(amoxicillin) 등 수많은 페니실린 유도체가 등장하였으며, 이런 페니실린계 항생제는 베타락타메이스에도 저항하고 그람음성균에도 작용한다. 아목시실린은 전 세계에서 가장 광범위하게 사용되는 항생제이기도 하다. 물론 병원균들은 이에 굴하지 않고 최신의 페니실린에도 내성을 기르고 있으니, 차세대 페니실린의 등장이 필요한 시점이다. 그래서 요즘에는 페니실린계 항생제를 투여할 때 더불어 베타 락탐 고리를 방해하는 효소의 활성을 억제하는 억제제까지 혼합하는데, 예를 들면 앞서 언급한 아목시실린은 클라불란산(clavulanic acid)과 같이 사용한다.

주로 엉덩이에 근육주사로 놓는데, 산성도에 민감하여 까딱하면 무력화되기 때문. 대부분의 약물이 위액에 파괴되거나 장에서 혈관으로 침투할 수가 없다. 이 주사는 정말 아프다고 한다. 주사는 바늘 굵기가 굵을수록, 약물의 점도가 높을수록 통증이 큰데 이 주사는 둘 다 충족한다. 근육주사에는 보통 21~23G 굵기의 바늘이 일반적인데, 이 주사는 근육주사에는 잘 안쓰이는 매우 굵은 바늘인 18G를 사용하기도 한다. 최소 21G는 쓰는 편. 굵은 것을 쓰는 건 그만큼 점성이 높아서 직경이 작은 바늘에는 막힐 가능성이 높아서이다. 특히 근육주사 특성상 깊게 찌르기 때문에 주사바늘 삽입만으로 같은 18G를 쓰더라도 정맥주사를 맞을 때보다 더 아프다. 주로 한 번에 놓지 않고 두세 번에 나눠서 놓는 경우가 많다. 주로 매독 확진이나 우려될 때에 놓는다. 연쇄상구균이나 장구균 등 매독 이외 전신감염증의 경우에는 정맥투여를 한다. 몇몇 페니실린계 항생제는 캡슐제로 경구투여가 가능하다.

단, 일부 사람들에게 과민성 쇼크의 일종인 페니실린 쇼크가 나타난다. 복용 후 몸이 화끈거리고 속이 울렁이거나, 피가 섞인 소변을 보거나 얼굴이나 발목이 붓거나 혹은 호흡곤란, 피곤한 증상을 느끼는 사람이 있다. 만약 이런 증상을 경험한다면 당장 119를 부르자. 빠른 시간 내에 응급처치에 들어가지 않는다면 죽을 수도 있다. 그 외의 부작용은 피부발진, 발열, 가려움증, 호흡곤란 등이 있다. 이러한 이유로, 페니실린을 사용하기 전에 미리 피하에 약간의 페니실린을 주입하여 미리 반응 검사를 한 후에만 놓는다. 물론 반응이 없다고 해도 안심은 금물이다. 피부반응이 없는데도 아나필락시스 쇼크가 나타나기도 한다.

과민성 쇼크의 메커니즘은 페니실린이 적혈구와 혈소판과 결합해서 생기는 작용이다. 일반적으로 화학물질은 생체 유기물질에 비해 구조가 단순하고 분자량이 적기 때문에 면역원성을 가지고 있지 않다. 하지만 페니실린이 적혈구와 혈소판에 결합할 경우 페니실린-적혈구 혈소판을 항원으로 인식해서 과민성 반응뿐만 아니라, 적혈구 혈소판 감소증이 동시에 나타나게 된다.[13] 물론 요즘은 페니실린을 항생제로 사용하지 않는지라 잘 나타나지 않는다.[14]

그리고 희귀한 경우지만, 같은 속인 페니실리움으로 발효시킨 치즈(까망베르 치즈, 브리 치즈, 블루 치즈 등)를 먹고 페니실린 쇼크가 일어나는 경우도 있다. 당연하지만, 의약품 페니실린에서 쇼크가 일어나지 않는 사람의 경우는 치즈로도 쇼크 증상이 일어나지 않는 데다가, 의약품으로 쇼크를 보이는 사람들도 대체로는 치즈를 먹는 정도론 큰 영향이 없다. 치즈에 들어있는 페니실린 농도래봐야 의료용 페니실린에 비하면 터무니없이 적기 때문. 다만 그렇다고 무턱대고 먹지는 말고 본인이 페니실린 쇼크가 있다면 조심은 하는 게 좋다.