유전자 켜고·끄기 동시 구현…합성생물학 새 지평 열어

KAIST·화학연 공동...이중모드 크리스퍼 유전자가위 시스템
유전자 활성·억제 조절 가능..미생물 기반 바이오물질 생산성 향상

이주영(왼쪽 두번째) KAIST 공학생물학대학원(생명과학과 겸임) 교수, 노명현(왼쪽 세번째) 화학연 박사.

KAIST 제공." class="img_LSize" />
유전자 가위 기술은 인간과 동·식물 세포의 특정 염기서열을 찾아서 정확히 편집·조절할 수 있는 21세기 생명공학 분야의 가장 혁신적인 도구로 평가받고 있다. 특히 합성생물학 분야에서 미생물을 이용한 바이오 의약품, 바이오 화학물질 등 바이오 생산 플랫폼 구축의 핵심 기술로 주목받고 있다.

유전자를 켜고 끈다는 것은 마치 전등 스위치를 올리고 내리듯, 세포 속 유전자의 작동 여부를 조절해 켜면 단백질이나 물질 생산이 활발해지고, 끄면 생산이 억제된다. 하지만 기존 유전자 연구는 켜는 데 초점을 맞춰 단백질이나 물질 생산을 극대화하는 데 그쳐 왔다.

국내 연구진이 세포 속 유전자를 켜고 끄는 것을 동시에 구현할 수 있는 새로운 유전자 가위 기술을 개발했다.

기존 연구를 극복하고 유전자를 켜는 데 그치지 않고 끄는 것까지 확장했다는 점에서 합성생물학 기반 바이오 산업의 생산 효율성을 획기적으로 높여 바이오 경제 발전에 기여할 것으로 기대된다.

KAIST는 이주영 공학생물학대학대학원 교수 연구팀과 노명현 한국화학연구원 박사 연구팀이 공동으로 대장균에서 원하는 유전자를 동시에 켜고 끄는 것이 가능한 새로운 '이중모드 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위 시스템'을 개발했다고 21일 밝혔다.

미생물을 '살아있는 공장'처럼 만들어 의약품, 화학물질, 연료 등을 생산하는 합성생물학에서는 필요한 유전자는 활성화하고, 방해가 되는 유전자는 억제해 생산 효율을 극대화한다.

하지만, 기존 유전자 가위는 기술은 유전자를 '끄는' 기능은 박테리아에서 효과적으로 작동하는 반면 유전자를 '켜는' 기능은 제한적이어서 정밀한 대사 경로 조절에 어려움이 있었다.

이 때문에 효율적인 바이오 생산을 위해선 표적 물질 생산에 필요한 유전자는 활성화하고, 경쟁 대사경로의 유전자는 억제하는 '동시 조절'이 필수적으로 요구된다.

기존 유전자 가위는 주로 '끄기'(억제) 기능에 특화돼 유전자 발현을 막는 데 유용하지만, 반대로 유전자를 켜는 기능은 매우 제한적이었다.

또한 크리스퍼가 작동하려면 특정 DNA 인식 서열(PAM)이 필요한데, 기존 시스템은 PAM 인식 범위가 좁아 조절할 수 있는 유전자 폭이 넓지 않았다. 게다가 진핵세포(사람·식물·동물)에서는 크리스퍼 기반 활성화가 어느 정도 발전했지만, 박테리아에서는 내부 전사조절 메커니즘 차이로 인해 켜기가 제대로 되지 않는 한계가 있었다.

연구팀은 기존 방식보다 보다 많은 유전자에 접근이 가능하도록 표적을 확장하고, 대장균 단백질을 활용해 유전자 활성화 성능을 대폭 향상시켰다. 이를 통해 기존 끄는 것 위주의 유전자 가위를 켜고 끄는 것을 동시에 제어할 수 있는 시스템으로 구현했다.

KAIST가 개발한 '이중모드 크리스퍼 유전자 가위 시스템' 작동 원리와 다중 유전자 동시 조절 모식도.

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이 시스템은 유전자를 켜는 실험에서 최대 4.9배까지 발현량을 높였고, 끄는 실험에서는 83%까지 억제했다고 연구팀은 설명했다. 특히 두 개의 서로 다른 유전자를 동시에 조절할 수 있어 하나의 유전자를 8.6배 활성화하면서 동시에 다른 유전자는 90% 억제할 수 있었다.

연구팀은 대장균의 모든 유전자를 대상으로 진행한 대규모 실험에서 항암효과가 있는 보라색 색소인 '바이올라세인' 생산에 도움이 되는 유전자를 찾는지를 살폈다.

그 결과, 단백질 생산을 도와주는 유전자를 켜면 2.9배, 세포를 분열하고 나눠지도록 하는 유전자를 끄면 3배 가량 바이올라세인 생산량이 늘어나는 것을 확인했다. 두 유전자를 동시에 조절했을 때는 더 큰 시너지가 나타나 무려 3.7배의 생산량 증가를 달성했다.

노명현 화학연 박사는 "박테리아에서도 정밀한 유전자 활성화가 가능해졌다"며 "합성생물학 기반 바이오산업 발전에 크게 기여할 것"이라고 말했다. 이주영 KAIST 교수는 "이번 연구는 유전자 가위와 합성생물학을 결합해 미생물 생산 플랫폼의 효율을 크게 높인 성과"라며 "하나의 시스템으로 복잡한 유전자 네트워크를 제어할 수 있어 바이오 의약품과 화학물질, 연료 생산 등 다양한 분야에 활용될 수 있다"고 말했다.

이 연구결과는 분자생물학 분야 국제 학술지 '핵산연구' 지난 8월 21일 온라인에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr