크리스퍼 유전자가위 한계 넘었다…유전자 6개 동시 교정

국내 연구진이 기존 크리스퍼 유전자가위의 한계를 극복한 고효율 다중 유전자 교정 기술을 개발했다. 유전자가위 기술을 나타낸 이미지. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 기존 크리스퍼 유전자가위의 한계를 극복한 유전자 교정 기술을 개발했다. 바이오파운드리 기반의 자동화된 유전자 설계·합성·검증시스템에 적합해 향후 의료·산업용 균주 개발에 적용 가능할 것으로 기대된다.

한국생명공학연구원은 이대희 합성생물학연구센터장 연구팀이 합성생물학 기술을 바탕으로 새로운 단일가이드RNA(sgRNA) 배열 방식을 개발해 유전자 교정의 효율성과 안정성을 크게 높이고 기존의 병목 현상을 해결할 수 있는 고효율 다중 유전자 편집 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

크리스퍼 유전자가위 기술은 특정 유전자만 정확하게 골라내 높은 정밀도로 교정한다. 크리스퍼 기반 유전자 교정 기술을 이용해 여러 유전자를 동시에 편집할 경우 카스(Cas) 단백질이 목표 유전자들에게 도달하도록 가이드 역할을 하는 sgRNA를 편집하고자 하는 유전자 개수만큼 반복해서 배열해야 한다. sgRNA들의 서열이 매우 유사해 반복적으로 배열할 경우 DNA 합성 실패, 플라스미드 불안정성, 재조합 오류 등이 빈번하게 발생하는 한계점이 있다.

연구팀은 외부의 유도물질 없이도 스스로 RNA를 절단할 수 있고 주변 유전자의 영향을 받지 않으면서도 정확하고 안정적으로 sgRNA를 발현할 수 있는 리보자임(RiboJ) 기술을 활용했다. 여러 개의 sgRNA를 효율적으로 처리하는 ‘RAMBE(RiboJ-Aided Multiplexed Base Editing)’ 시스템과 반복되는 유전자를 서열 없이 배열할 수 있는 ‘NR(Non-Repetitive)-RAMBE’ 시스템을 개발했다.

대장균에 적용해 실험한 결과 한 번에 6개 이상의 유전자를 동시에 교정하는 데 성공했다. 유전자 교정 효율을 높이는 화합물 부티르산의 생산량을 최대 7배 늘렸다. 아세트산 소비도 조절해 전체 대사경로 최적화에도 성공했다.

연구에 사용된 균주는 사람의 장내 환경과 유사한 조건에서도 잘 자라는 프로바이오틱스 활용 대장균이다. 산소가 매우 적은 환경에서도 안정적인 생산성과 교정 효율을 보였다.

연구팀에 따르면 NR-RAMBE 시스템은 기존 RAMBE보다 더욱 개선된 방식으로 sgRNA의 반복 서열이 제거됐다. DNA 합성과 조립 과정이 훨씬 단순해졌고 유전자 합성의 복잡성이 약 7배 줄어 유전자 교정의 실패율도 대폭 감소했다.

연구팀은 “이번 실험에서 주목할 점은 유전자를 동시에 6개까지 교정했음에도 기존 시스템과 비슷한 수준의 높은 교정 효율을 보여줬다는 것”이라고 말했다.

개발된 NR-RAMBE 기술은 sgRNA를 코딩하는 DNA를 안정적으로 합성할 수 있어 바이오파운드리(유전자 설계부터 합성, 검증까지 자동화하는 시스템)와 같은 첨단 유전체 기술에 적합한 것으로 여겨진다. 다양한 의료용, 산업용 미생물 개발에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 이끈 이대희 센터장은 “크리스퍼 유전자가위를 이용해 여러 개의 유전자를 동시에 교정할 때 가장 문제가 됐던 sgRNA의 합성과 배열 문제를 합성생물학 기술을 이용해 해결했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 7일 온라인 게재됐다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1016/j.cej.2025.162336

[박정연 기자 hesse@donga.com]