[사이테크+] 합성 DNA 50% 이상인 효모 만들었다…인공 효모에 한발 접근

국제연구팀 "염색체 16개 중 7.5개가 합성…정상 복제·생존 확인"
"새 기능 수행할 수 있는 100% 합성 게놈 효모에 한 발 더 접근"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국제 연구팀이 7개 이상의 합성 염색체를 하나의 효모 세포에 결합해 인공 DNA가 50% 이상이면서 야생 효모처럼 생존하며 복제할 수 있는 효모를 만드는 데 성공했다. 100% 합성 게놈 효모에 한 발 더 다가선 것이다.

합성 DNA가 31% 포함된 효모 syn6.5의 주사전자현미경 사진 합성 DNA가 약 31%인 효모 syn6.5는 일반 효모와 같은 정상적인 형태와 발아 현상을 보였다. [Cell/Zhao et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]

영국 맨체스터대 패트릭 카이 교수와 미국 뉴욕대(NYU) 랑곤헬스의 제프 보케 교수 등 '합성 효모 게놈 프로젝트'(Sc2.0) 연구팀은 9일 과학 저널 '셀'(Cell)에서 이같이 밝히고 현재 16개 염색체를 모두 합성, 오류를 수정하고 있다고 밝혔다.

연구팀은 맥주 발효 또는 제방에 사용되는 천연 효모인 '사카로마이세스 세레비지에'(Saccharomyces cerevisiae)를 기반으로, 효모 염색체들을 합성하고 이를 실제 효모 세포에 점차 확대 적용하고 있다.

전체 유전체가 합성 염색체로 이루어진 효모를 만드는 게 목표인 Sc2.0은 미국, 영국 등 과학자 200여 명으로 구성된 국제 컨소시엄으로, 이날 연구 성과를 '셀'과 '몰레큘러 셀'(Molecular Cell), '셀 노믹스'(Cell Genomics) 등에 논문 10여편으로 공개했다.

지금까지 박테리아와 바이러스 게놈이 합성된 적은 있지만, 여러 개의 염색체가 복잡하게 얽혀 있는 진핵생물 게놈을 합성하고 실제 세포에서 정상 작동하는 것을 입증한 것은 이번이 처음이다.

카이 교수는 "이 연구 결과는 효모의 운영 시스템을 다시 쓴 것"이라며 "유전자 몇 개를 손보는 게 아니라 전체 게놈을 새로 설계하고 구성하는 엔지니어링 생물학의 새 시대를 여는 것"이라고 말했다.

논문 교신저자이자 Sc2.0 리더인 보케 교수는 자연의 설계에서 크게 변형된 무언가를 만들어내는 게 중요하다고 판단했다"며 "가장 중요한 목표는 우리에게 새로운 생물학을 가르쳐줄 효모를 만드는 것"이라고 말했다.

합성 염색체를 가진 효모 만드는 과정 연구팀은 각 염색체를 따로 조립한 다음 15개의 천연 염색체와 1개의 합성 염색체를 가진 16개의 부분 합성 게놈 효모 균주를 만들고 점차 이들끼리 반복해 교배하는 방식으로 합성 염색체를 더 많이 가진 효모 균주를 만들었다. [Cell/Jet Boeke et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]

효모 게놈은 16개의 염색체로 구성돼 있다. 연구팀은 먼저 각 염색체를 따로 조립한 다음 15개의 천연 염색체와 1개의 합성 염색체를 가진 16개의 부분 합성 게놈 효모를 만들고 점차 합성 염색체 수를 늘려나갔다.

이들은 멘델의 완두콩 실험을 연상시키는 방법을 사용했다. 서로 다른 부분 합성 염색체를 가진 효모들을 교배한 다음 자손 중에서 두 가지 합성 염색체를 모두 가진 개체를 찾았다.

이 과정을 반복해 합성 염색체 6.5개를 가진 효모 균주를 만들었다. 이 효모 균주는 전체 DNA의 31%가 합성된 것이고, 정상적인 형태를 가졌으며 야생 효모와 비교해 성장 측면에서만 약간의 결합이 있었다.

연구팀은 이어 효모 균주 사이에 특정 염색체를 더 효율적으로 옮길 수 있는 염색체 치환 방법을 개발, 크기가 가장 큰 4번 염색체를 결합해 합성 염색체 7.5개를 가진 효모 세포를 만들었다.

또 합성 염색체 여러 개를 하나의 효모 세포에 통합하면 합성 염색체가 하나일 때는 보이지 않던 유전적 결함들이 나타났지만, 연구팀은 크리스퍼 유전자가위(CRSPR/Cas9) 기술로 이런 결함을 수정할 수 있었다고 밝혔다.

보케 교수는 "이 결과는 게놈의 절반을 합성해서 한 세포에 큰 문제 없이 통합하는 것이 가능하다는 것을 보여준다"며 "그 과정에서 오류 수정을 통해 생명의 규칙에 대해 새로운 사실들도 알게 됐다"고 말했다.

이어 "다음 단계는 나머지 합성 염색체를 모두 통합하는 것으로 16개의 염색체를 모두 가진 효모에 거의 다다랐다"며 "이에 성공하면 이전에는 본 적이 없는 일을 할 수 있는 효모를 생산할 수 있게 될 것"이라고 덧붙였다.

◆ 출처 : Cell, Jet Boeke et al. , 'Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions', https://cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01079-6

scitech@yna.co.kr

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