산업균주 제작하고 병원균 억제하는 범용기술 나온다

KAIST 연구팀, 15종 박테리아에서 효과적으로 작동하는 유전자 억제 기술 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 박테리아는 우리 일상에서 김치, 된장, 술 등 식품에 활용돼 왔을 뿐만 아니라 최근에는 대사 공학을 통해 플라스틱, 영양제, 사료, 의약품 등을 생산하는 산업용 세포 공장으로 활약하고 있다.

유익한 박테리아 외에도 다양한 감염성 질병을 일으키는 폐렴균, 살모넬라균 등 병원균이 있어 대사공학적 기법을 통해 유해한 병원균은 병원성을 억제하거나 사멸을 유도한다. 유익한 산업용 박테리아는 고부가가치 물질을 고효율로 생산할 수 있도록 변형하는 것이 중요하다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 그람 음성균과 양성균 모두를 포함한 다양한 박테리아에서 표적 유전자를 효과적으로 억제할 수 있는 신규 sRNA 도구를 개발했다고 10일 발표했다.

국내 연구팀이 다양한 박테리아의 유전자 억제를 위한 sRNA 도구를 개발했다. [사진=KAIST]

sRNA는 대장균에서 표적 유전자를 억제하기 위해 합성 조절하는 효과적 도구이다. 그동안 대장균과 같은 그람 음성균 외에 산업적으로 유용한 고초균이나 코리네박테리움 같은 그람 양성균에서는 적용이 어려웠다.

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀은 그람 음성균과 양성균 모두를 포함한 다양한 박테리아에서 표적 유전자를 효과적으로 억제할 수 있는 신규 sRNA 도구를 개발했다.

연구팀은 우선 미생물 데이터베이스를 이용해 수천 종의 미생물 유래 sRNA 시스템을 검토했다. 그중 가장 높은 유전자 억제능을 보여준 ‘고초균(Bacillus subtilis)’ 박테리아 유래 sRNA 시스템을 최종 선정했고 이를 ‘광범위 미생물 적용 sRNA‘(Broad-Host-Range sRNA, BHR-sRNA)’이라고 이름 붙였다.

sRNA와 유사한 시스템으로는 유전자 가위로 잘 알려진 크리스퍼(CRISPR)를 개량한 크리스퍼 간섭(CRISPR interference, CRISPRi) 시스템이 있다. 유전자 가위의 핵심인 Cas9 단백질에 돌연변이를 일으켜 DNA를 자르지 않으면서 유전자 전사 과정만을 억제해 유전자 발현을 억제하는 시스템이다.

Cas9 단백질의 분자량이 매우 높아 몇몇 박테리아에서 성장을 저해하는 현상이 보고됐다. 이번 연구에서 개발한 BHR-sRNA 시스템은 박테리아의 성장에 전혀 영향을 끼치지 않으면서도 CRISPR 간섭과 유사한 유전자 억제능을 보였다.

BHR-sRNA 시스템의 범용성을 검증하기 위해 연구팀은 다양한 그람 음성균과 그람 양성균 16종을 선정해 테스트했다. 그중 15종의 박테리아에서 BHR-sRNA 시스템이 성공적으로 작동함을 증명했다.

10종의 박테리아에서 기존의 대장균 기반 sRNA 시스템보다 유전자 억제능이 뛰어남을 증명했다. 이와 같이 BHR-sRNA 시스템은 다양한 박테리아에서 효과적으로 유전자 발현을 억제할 수 있는 범용 도구임을 입증했다.

최근 점차 심각해져 가는 항생제 내성 병원균 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 BHR-sRNA를 이용해 독성인자를 생산하는 유전자를 억제하고, 결과적으로 병원성을 억제하고자 했다.

BHR-sRNA를 활용해 병원 발생 감염균인 표피포도상 구균(Staphylococcus epidermidis)에서 항생제 내성의 원인 중 하나인 바이오필름 형성을 73% 억제할 수 있었다.

폐렴균인 폐렴막대균(Klebsiella pneumoniae)에서 항생제 내성을 58% 약화하는 결과를 보였다. 연구팀은 또한, BHR-sRNA를 산업용 박테리아에 적용해 표적 물질을 고효율로 생산하고자 했다.

특히 폴리아마이드 고분자의 원재료인 발레로락탐(valerolactam), 포도향 첨가제인 메틸안트라닐산(methyl anthranilate), 청색 천연염료인 인디고이딘(indigoidine)을 최고 농도로 생산할 수 있었다.

이번 연구를 통해 개발한 BHR-sRNA를 활용해 다양한 산업공정으로의 응용이 기대된다. 항생제 내성 병원균 퇴치를 통한 연구에도 활용될 수 있을 것으로 보인다.

이상엽 KAIST 특훈교수는 “기존에는 각각의 박테리아마다 유전자 억제 도구를 새로 개발해야 했는데, 이번 연구를 통해 다양한 박테리아에서 범용으로 작동하는 도구를 개발했다”며 “앞으로 합성생물학과 대사공학, 병원균 대응연구 발전에 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다.

연구 결과(논문명: 논문명 : Targeted and high-throughput gene knockdown in diverse bacteria using synthetic sRNAs)는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 4월 24일자 온라인에 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)