바이오인

핵심내용

-네이쳐 바이오테크놀로지 온라인판 게재.“화학 산업을 대체할 생물 산업 발전의 새로운 전략으로 기대” -

 □ 교육과학기술부(장관 이주호)는 한국과학기술원(KAIST) 이상엽 특훈교수팀이 합성 조절 RNA 기술을 활용하여 세포공장*을 효율적이고 대규모로 구현하게 하는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다.

   * 세포공장(Biofactory) : 세포의 유전자를 조작하여 원하는 화합물을 대량으로 생산하도록 만드는 미생물 기반의 생산 시스템

 ○ 한국과학기술원 생명화학공학과 이상엽 교수팀의 이번 연구는 교육과학기술부의 글로벌프론티어사업(지능형 바이오 시스템 설계 및 합성 연구단(단장 김선창))의 지원으로 수행되었으며 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 바이오테크놀로지 온라인 판에 1월 20일 게재되었다.

□ 화석연료 고갈과 석유화학제품 사용에 의한 환경오염 등 인류가 직면한 문제를 해결하기 위해 친환경적이고 지속가능한 바이오산업이 대두되고 있으며 특히 바이오에너지, 의약품 등을 생산할 수 있는 세포공장 개발기술이 전 세계적으로 주목받고 있다.

 ○ 우수한 세포공장 개발을 위해서는 원하는 화합물을 생산하는 유전자 선별과 높은 생산 효율의 미생물을 찾는 과정이 병행되어야 하나 기존의 연구방식은 미생물의 유전자를 하나씩 조작하여 복잡하고 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다.

□ 한국과학기술원(KAIST) 나도균 박사와 유승민 박사가 참여한 이상엽 특훈교수 연구팀은 위와 같은 기술적 한계를 극복하기 위해 합성 조절 RNA를 제작하고 이를 활용하는 새로운 기술을 개발하였다.

 ○ 또한 연구팀은 합성 조절 RNA 기술을 활용하여 의약 화합물의 전구체로 사용되는 타이로신(tyrosine)*과 다양한 석유화학 제품에 활용되는 카다베린(cadaverine)** 생산에 도입하여 세계 최고의 수율로 생산(각 21.9g/L, 12.6g/L)하는 세포공장을 개발하는데 성공하였다.

   * 타이로신(tyrosine) : 스트레스를 다스리고 집중력 향상 효과가 있는 아미노산
  ** 카다베린(cadaverine) : 폴리우레탄 등 다양한 석유화학 제품에 활용되는 기반물질

 ○ 이 기술은 기존 방식과 달리 수개월이 소요되던 실험 과정을 수일로 단축시켜 바이오 에너지, 의약품, 친환경 소재 등을 세포공장에서 보다 쉽고 빠르게 생산할 수 있을 것으로 전망된다.

□ 이상엽 교수는 “합성 조절 RNA기술로 다양한 물질을 생산하는 세포공장 개발이 활발해 질 것이며 석유에너지로 대표되는 화학 산업이 바이오 산업으로 변해 가는데 촉매제 역할을 할 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 밝혔다.“

상세내용

연  구  개  요

1. 서론 : 최근 전 세계적인 환경 문제 및 한정된 자원고갈에 대한 우려가 급증하고 있는 가운데, 이의 대안으로 친환경적이고 재생산 가능한 미생물 기반의 생산 시스템, 즉 미생물 세포 공장 구축에 관심이 집중되고 있다. 미생물 세포 공장 구축에 있어 어떤 미생물을 공장으로 사용할 것인가, 어떤 유전자를 조작할 것인지를 선별하는 것이 매우 중요하지만, 기존의 유전공학기술은 복잡하고 긴 시간이 필요한 실험과정을 거쳐야 하므로 보다 간단하고 쉽고 빠른 기술개발이 절실히 요구되고 있다. 유전자 조작을 DNA에서 해야 한다는 기술적 어려움과 한계로 인해 여러 생명공학 분야의 발전에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 기존의 유전자 조작은 DNA에서라는 틀을 벗어나 유전자 조작을 RNA에서 가능하도록 하는 새로운 기술을 개발하였다. 특히 차세대 합성생물학 기술로서 새로운 RNA 기반의 대사회로 재설계 기술을 제안하고 이를 이용하여 다양한 맞춤형 세포공장 건설의 가능성을 확인하는데 목적이 있다.    

2. 본론 : RNA는 DNA처럼 간단한 구조를 가지지만, 단백질처럼 매우 복잡하고 다양한 기능을 수행할 수 있어 이를 이용하고자 하는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 기존의 RNA 기반기술은 다양한 균주 및 수많은 유전자에 동시에 적용하기가 어렵다. 이를 극복하기 위해 본 연구진은 조절 RNA를 새롭게 디자인하는 설계원리를 개발하였다. 새롭게 합성된 맞춤형 조절 RNA 는 특정 유전자에 영향을 주고 이 유전자가 속해 있는 세포 내 네트워크 흐름을 복잡하게 변화시킴으로써 우리가 원하는 방향으로 세포내 네트워크를 재설계할 수 있다. 이러한 조절 RNA는 유전자 운반체에 삽입된 후 다양한 미생물 균주에 동시에 적용되었고, 그 결과 가장 생산능력이 뛰어난 균주 선별을 용이하게 하였다. 또한, 미생물내의 대사회로에 존재하는 100 여개의 다양한 유전자에 영향을 미치는 조절 RNA 라이브러리를 만들고 이를 미생물에 적용함으로써 가장 높은 생산성 향상에 관여하는 유전자를 선별하였다.

3. 결론 : 그 결과 본 연구진은 맞춤형으로 합성된 조절 RNA를 이용하여 지난 수 십 년간 기존의 방식으로 만들어진 어떠한 미생물 공장보다 더 높은 생산성을 갖는 새로운 미생물 세포 공장 (타이로신 세포공장, 카다베린 세포공장)을 단 1-2주 내에 건설하는데 성공하였다. 본 연구진에 의해 새롭게 개발된 RNA 기반의 대사회로 재설계 기술은 맞춤형 미생물 세포공장 건설을 위한 플랫폼이므로, 석유에너지를 대체할 바이오에너지에서부터 고가의 의약품, 친환경 소재등 기존의 세포공장에서 생산할 수 있는 모든 물질들을 보다 쉽고 빠르게 생산하는 것이 가능하므로 그 활용도는 산업적으로 의학적으로 무궁무진할 것이다.

용   어   설   명

1. 세포 공장(Biofactory)
 ○ 세포의 유전자를 조작하여 원하는 화합물을 대량으로 생산하도록 만든 것이다. 세포 공장은 화합물 생산을 조절하는 효소 및 다양한 유전자의 발현을 억제, 활성화 시키고 이로써 생산 수율을 향상시킴으로써 제작된다. 세포 공장이 향후 현재의 화학공장과 같은 수준으로 생산 수율이 향상될 경우 기존 화학산업을 바이오산업으로 변화시킬 수 있을 것으로 기대되는 기술이다.

2. 합성생물학(Synthetic Biology)
 ○ 기존 생명공학 기술은 자연계에 존재하는 생명체의 유전자를 변형하여 원하는 기능을 가지는 새로운 생명체를 개발하는 것인데, 이는 이미 존재하는 생명체의 특징을 한정된 범위 내에서만 변형이 가능하기에 개발의 한계가 존재한다. 이를 극복하기 위해 DNA, RNA, 유전자, 단백질 등 세포의 기본 구성 물질부터 세포내 대사회로, 유전자 회로까지 새롭게 설계하여 기존의 한계를 극복하는 새로운 생명체를 만들고자 하는 분야가 대두되었는데, 이것이 합성생물학이다.

3. 합성 조절 RNA(Synthetic small regulatory RNA)
 ○ 세포내 유전자 발현은 DNA에 기록된 정보가 mRNA로 전달되고, 이를 ribosome이 해독하여 단백질로 만드는 과정이다. 합성 조절 RNA는 mRNA에 상보적으로 결합함으로써 mRNA의 기능을 억제하는 동시에 단시간 내에 제거함으로써 유전자 발현을 중간에 차단하는 것이다. 기존 Antisense RNA와 달리 합성 조절 RNA는 길이가 100nt 정도로 짧으며, 세포내 RNA interference 기작을 이용함으로써 매우 높은 효율로 (>90%) 세포 발현을 억제 가능하며, 상보적 결합 강도를 디자인하여 발현 억제 정도를 조절 가능한 장점이 있다.

4. 라이브러리(Library)
 ○ 대용량 실험을 위해 실험할 유전자 혹은 화합물 등의 총체적 집합을 의미한다. 이 중에서 세포의 형질을 원하는 형태로 바꿔주는 유전자를 찾거나, 약물로써 효과가 있는 화합물 등을 탐색하게 된다. 여기서는 다양한 합성 조절 RNA를 제작하여 이를 라이브러리로 사용하였다.

주   요   사   진  

그림 3. 미생물의 대사회로내 유전자에 영향을 미치는 합성 조절 RNA (루프모양) 의 작용기작