블록 맞추듯 몸 속 유익균 조절할 방법 개발

포스텍, 미생물 유전자 발현 조절하는 플랫폼 개발

프로바이오틱스(lactobacillus paracasei)를 현미경으로 관찰한 모습./호르스트 네베, 맥스 루브너-인스티튜트

최근 몸속에 있는 유익한 미생물 ‘프로바이오틱스’의 수를 늘려 비만을 관리하는 방법이 대중과 미디어의 관심을 받고 있다. 프로바이오틱스가 면역 체계를 조절하는 데에도 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀지면서 이를 센서, 유전자 편집과 같은 첨단 기술로 조절하는 ‘스마트 프로바이오틱스’가 새로운 분야로 떠오르고 있다.

김종민 포스텍 생명과학과 교수와 생명과학과 통합과정생 김정원, 서민채, 임예린 씨 연구진은 박테리아의 유전자 발현을 자유자재로 조절할 수 있는 리보핵산(RNA) 기반의 센서 플랫폼을 개발했다고 30일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 온라인판에 지난 7월 게재됐다.

스마트 프로바이오틱스 기술의 핵심은 센서에 있다. 생물학적 시스템은 정밀한 상호작용과 복잡한 네트워크로 운영되기 때문에, 장내 환경의 변화를 실시간으로 감지하고 미생물 활동을 조절하는 것이 중요하기 때문이다. 하지만 생체 적합성과 정확성, 민감도와 같은 요인으로 인해 센서에 사용할 수 있는 부품의 종류가 제한적이라 기술 개발에 어려움이 많다.

연구팀은 압타머(Aptamer)를 이용해 새로운 플랫폼을 개발했다. 압타머는 특정한 분자와 강하게 결합하는 DNA 또는 RNA 조각으로, 선택적인 결합이 필요한 센서에 매우 적합하다. 압타머가 분자와 결합하면 RNA의 일부가 접히거나 풀리는 것과 같은 구조적인 변화가 일어나는데, 연구진은 이를 이용해 생체 내 상호작용을 모방하고, 다양한 분자를 감지해 레고 블록처럼 간단하게 유전자 발현을 조절하도록 플랫폼을 만들었다.

이를 바탕으로 테오필린(Theophylline)과 테트라사이클린(Tetracycline)과 같은 약물과 항생제, 박테리아에서 생성된 특정 단백질을 감지하는 센서를 구현했다. 이 센서들은 표적을 정확하게 인식하고, 반응하는 특이성뿐만 아니라 여러 센서를 함께 사용할 때 서로 간섭하지 않고, 독립적으로 작동하는 특성이 뛰어났다. 따라서 복잡한 유전자 회로와 결합한 논리 회로에서도 다양한 종류의 생물학적 신호를 모니터링하고 조절할 수 있었다.

연구진은 “이번에 개발한 기술은 단순히 각각의 물질을 감지하는 것을 넘어 센서의 민감도나 반응 세기를 자유롭게 조절할 수 있다”며 “자연계에 존재하지 않았던 생체 센서 부품을 손쉽게 구현했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 설명했다.

김종민 교수는 “합성 바이오센서 개발과 미생물 유전자 회로 구축에 새로운 관점을 제시했다”며 “스마트 프로바이오틱스와 대사 공학을 포함한 미생물 엔지니어링 기술의 활용을 위해 후속 연구를 이어가겠다”고 전했다.

참고 자료

Advanced Science(2024), DOI: http://doi.org/10.1002/advs.202402029

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