바이오인

미생물 게놈정보를 이용한 단백질 생산

전문연구위원 박무현

□ 본 논문은 생물과학연구소를 가진 일본 가오 주식회사(花王: KaoCorporation)에서 현재, 미생물 게놈정보의 산업적 이용에 관한 경제산업성의 프로젝트에 참여하여, 3개 대학과 공동으로 단백질 생산에 특화한 숙주미생물세포, minimum genome factory(MGF)의 개발연구를
진행한, 바이오테크놀로지에 의한 화장품류(Toiletry)관련소재에 대하여 연구개발 사례에 대하여 언급한 후, 연구 프로젝트의 개요를 설명한것이다.

 

□ 바이오테크놀로지관련 연구는 1974년부터 시작된 당지질 소보롤리피트의 개발연구가 이루어지기 시작하였다.  호삼투압(好滲透壓)성 효모Toulopis bombicola가 생산하는 소보롤리피트의 유도체 PSL에 보습효과가 있어, 1980년, (주)가오(花王)의 기초화장품이나, 그리고 그 후에 출시된 화장품 소피나에도 배합 사용하였다.

□ 그리고 1984년경부터 시작된 식물조직배양연구에서 용설란과의 Polianthes tuberosa L.의 화변(花弁)에 의해 유도된 칼루스(Callus; 肉狀體)가 다당(多糖), TPS를 대량분비 생산하는 것을 발견하고, 1993년부터 피부 각층(角層)의 보호성분으로서 소피나 제품에 배합시키고 있다.

□ 다음은 1983년∼1988년에는 통상산업성의 차세대 산업기반기술연구개발 과제로서 산화반응 바이오리액터(Bioreactor)연구를 추진하여, Rhodococcus속 세균을 사용하여 팔미틴 산 에스테르(palmitic acid ester) 6위치에 2중 결합이 도입된 헥사데센 산 에스테르(cis-9-hexadecenoic acid ester)를 고효율로 생산하는 bioreactor 시스템을 구축하였다.

□ 한편, 1980년경부터 세제효소의 개발연구를 개시하여, 더러워지기 쉬운 섬유의 비 결정부분을 분해하는 셀룰라아제 (cellulase)의 개발연구를 시작하였다. 1982년에 우수한 성능을 가진 알칼리 셀룰라아제(alkali cellulase)의 생산균 Bacillus sp. KSM-635 주를 발견하였으나, 공업화에는 생산수율의 대폭적인 개선이 필요하여, 돌연변이에 의한 균주육종과 배양조건의 최적화 연구를 계속하였다.  그 결과, 약 1,000배의 생산량 향상을 이룩하여 1987년 알칼리셀룰라아제(alkali cellulase)를 배합한 콤팩트형 의료(衣料)용 세제 어택(attack)이 발매되었다. 이어서 알칼리프로테아제(Alkali protease)의 개발을 하였고, 동일하게 자연계로부터, 분리한 생산균 Bacillus sp. K-16주의 돌연변이에 의한 육종연구 등을 거쳐, 1991년부터 어택 등의 의료용 세제에 배합을 하였다.

□ 또, 이상의 개발과 병행하여 유전자 해석 , 고초균(Bacillus subtilis)을 숙주로 하는 발현 vector개발, 단백질공학에 의한 효소기능의 개변(改變)등의 기초연구를 진행하여, 유전자공학기술에 의한 알칼리셀룰라아제(alkali cellulase)S237의 생산연구도 이루어졌다.  이상의 성과로서 현재, TPS다당(多糖)이나 세제용 효소 자사(自社)생산 하며, 특히 효소생산량으로서는 일본에서 최상위급이라고 자부하고 있다.

□ 그래서 이 효소의 고 생산기술을 기초로 하여, 다른 유용 단백질소재의 개발을 전개하고자 하고 있으나, 이 과제는 용도와 구조가 다양한 단백질소재의 개발에 소요되는 시간과 경비가 크게 부담이 되는 것이 걸림돌이 되었다.  전술한 바와 같이 고전적인 돌연변이 방법에 의한 생산량의 향상에는 4∼5년이 소요되고, 유전자 공학에서도 목적단백질 마다에 적합한 숙주
Vector계의 선택과 개량, 배양조건 등의 최적화 등에 수년이 걸리게 된다. 또, 고등생물 유래의 단백질 생산에는 더욱 어려움이 동반된다.  이 때문에 여러 가지의 단백질을 고능률로 생산하는 것이 가능한 범용 숙주세포의 개발이 바람직하다고 생각하였다.

 

 

□ 경제 산업성 프로젝트로「숙주세포 창제기술의 개발」2001년 경제산업성은 「생물기능을 활용한 생산 공정의 기반기술 개발」프로젝트를 개시하였다. 그 sub-project인「숙주세포 창제기술의 개발」은 미생물 게놈정보를 기초로 물질생산에 특화된 범용 숙주세포의 창제를 목표로 한 것이다.  일반적으로, 산업용 효소 등의 공업생산에는 자연계로부터 분리된 미생물을 개량하여 사용하고 있으나, 미생물은 원래 자연계에서의 환경변화에 대응하기 때문에 다양한 유전자 군을 가지고 있어, 한정된 조건에서 사용되는 공업생산배양에서는 불필요하거나 유해한 유전자가 적지 않게 존재한다.  그래서 목적하는 물질의 생산에 불필요하거나 유해한 유전자를 철저하게 제거하고, 필요한 유전자를 강화하여 물질생산을 위한 “최소최적의 게놈구조를 가지는 물질생산 공장(minimum genome factory: MGF)”세포를 창제(創製)하고자 하는 것 이다.  이 회사의 생물과학연구소에서는 지금까지 배양한 기술․지식을 살려서, 고초(枯草)균을 친미생물로 하여, 목적하는 생산물질을 산업용 효소등으로서 본 Sub-project 에 참여하고 있다.

고초균(B. subtilis)은 원래, 각종 효소를 분비 생산하는 능력이 있고, 안전성도 높으므로 이종 단백질 생산용의 숙주로서 사용하고 있다.  고초균(B. subtilis)168주에 대하여서는, 1997년, 나라(奈良)의 첨단과학기술대학원대학의 오가사와라(小笠原)교수를 지도자로 하여 쯔구바(筑波)대학이나 신쥬(信州)대학 교수들과 그리고 일본 내의 7개 연구실과 구미의 연구팀과의 공동연구에 의하여, 4,215kbp로부터 이루어진 게놈구조가 결정되었다. 현재 4,106유전자가 동정되어, 그 기능해석도 진행되어, 약, 3,000유전자의 기능이 해명 또는 추정되고 있다.  고초균MGF의 개발에서는 먼저, 고초균 전유전자에 관해서 이종단백질생산의 관점에서 유전자 정보가 필요하고, 또, 게놈 상에 많은 유전자 결실(欠失)이나 개변(改變)을 하기 위한 게놈가공기술도 필요하다. 이들의 정보와 기술을 통합하여, 최종적으로 고초균MGF를 구축하여, 그 유용성을 검증하고자 하고 있다.  이상은 기능적으로 또, 효율적으로 추진하기 위하여, 본 과제는 고초균 게놈연구의 공동연구체제를 취하고 있다.  즉, 유전자 기능해석에서 각 분야별로 분담하여 정보기술을 축적하고 있다.

 

고초균 게놈 4,106유전자 중에 약 3,000유전자의 기능이 밝혀지거나 추정되고 있다. 그래서 단백질 분비생산에 대한 각 유전자의 기여, 영향등에 대하여서는 생육에 필요한 유전자 271개 등을 제외한 그 외의 것에 대한 정보나 지식이 부족하여, 본 과제에 있어 해석이 필요하다.  그래서 우선, 각 유전자가 파괴 또는 흠실(欠失)된 변이주의 단백질 생산성의 평가를 하여, 단백질 분비 생산에 대한 기능, 영향의 해명을 추진하고 있다. 즉, 공동연구진에서 구축된 유전자 파괴․결실(欠失)주에, 평가용 모델단백질로서 선정된 셀룰라아제 S237의 고 생산 플라스미드를 도입하여, 플라스크배양에 의하여 배지 중에서 생산된 셀룰라아제량을 평가하고 있다.  야생 주에 비하여, 생산량이 향상되거나 또는 저하되는 주가 다수 보이고 있어, 결실․파괴된 유전자가 생산에 불필요․유해하거나 또는 필요하다고, 판정되는 것도 있다.  그리고 오가사와라(小笠原)교수의 지도 하에는, 고초균 약 4,000유전자의 발현 량을 총망라하여 해석가능 한 DNA micro-alloy에 의해서 단백질 고 생산의 경우에 특이적인 유전자 발현양식의 추적을 시도하고 있다. 이들의 유전자 기능해석연구나 공동연구자로부터 얻어진 지식과 정보를 MGF구축을 위한 지표로서 사용할 예정이라 한다.

게놈 상에서 많은 유전자의 삭제나 개변을 시키기 위하여서는 효율적이며, 정확한 유전자 삭제․개변(改變)기술이 필요하다.  특히, 본 프로젝트에서는 불요(不要)․유해(有害)한 유전자의 대폭적인 삭제를 목표로 하고 있으므로, 유전자의 효율적인 삭제 법에 대하여 검토하고 있다.  개개의 유전자 삭제는 물론이고, 많은 유전자를 동시에 일괄 삭제하는 것이 가능하다면, 보다 효율적인 유전자 조작 작업이 가능하게 될 것이다. 검토 결과 , PCR에 의해 조제된 삭제 가능 유전자영역의 상류(上流)측, 하류(下流)측의 상동(相同)영역 간에 약제내성 Maker유전자 단편이 삽입된 DNA단편을 사용한 2중 교차 법에 의하여 100개 이상의 유전자를 포함하는 100kb이상의 영역을 일괄하여, 삭제 가능한 것이 밝혀지게 되었다.  현재, 이 대규모 삭제기술과 단독 유전자의 삭제 및 개변기술을 사용하여, 기능해석이나 추정에서 불필요한 유전자의 연속영역의 삭제를 수행하고 있다.


◁전문가 제언▷

 

□ 본 과제는「생물기능을 활용한 생산 공정의 기반기술 개발」프로젝트의 sub-project인「숙주세포 창제기술의 개발」은 미생물 게놈정보를 기초로 물질생산에 특화(特化)된 범용 숙주세포의 창제를 목표로 한 것이다.  목적하는 물질의 생산에 불필요하거나 유해한 유전자를 철저하게 제거하고, 필요한 유전자를 강화하여 목적물질을 생산하기 위한 “최소최적의 게놈구조를 가지는 물질생산 공장(minimum genome factory: MGF)”세포를 창제(創製)하고자 하는 것이다.

□ 본 프로젝트는 3년째이며 각 대학과의 공동연구 및 협력체제에 의해 효율적으로 유전자기능해석과 게놈 가공기술을 추진하고 있다. 이들의 유전자 정보와 게놈가공기술을 기초로 효율적으로 연구를 진행시켜, 2005년말 까지 1,000유전자 이상이 결실(欠失)하여, 단백질 분비 생산능력이 향상된 고초균MGF후보 주(株)로 구축을 목표로 하고 있다.  본 프로젝트의 목표는 산업용 효소의 대량생산에 있으나, 창제된 고초균 MGF는 각종 산업분야에서 이용 가능한 여러 가지의 단백질 소재의 개발에도 응용되며, 또, 효소변환에 의한 비단백질소재의 생산에도 적용가능하다. 고초균 MGF에 의한 부가가치가 높은 새로운 각종 소재를 제공하여, 화장품류 상품의 개발에도 응용전개 하고자 하고 있다.

□ 일본의 바이오 화장품류의 생산회사인 가오(花王) 주식회사는 이미 1974년부터 이와 같은 BT분야의 기능성 화장품원료의 생산을 위한 연구에 착수하여, 이제 세계 최첨단의 기능성 화장품소재 생산 기업으로 자리를 굳히고 있으며, 이 연구결과는 첨단 제품생산을 유도할 것이
분명하다.

□ 여기에서 우리들이 간과해서는 안될 것은 이 과제가 2001년에 일본 경제산업성의 「숙주세포 창제기술의 개발」프로젝트이라는 것이다. 우리나라의 경우와 비교해 보면 외관으로는 각 부처가 첨단기술연구프로젝트를 만들어 기술개발을 위한 국책과를 수행하고는 있으나, 그 추진 내용에서 큰 차이가 있음을 알 수 있다. 일본의 경우는 최소 20년 정도의 미래를 전망하여 과제를 선정하고 있으나, 우리나라의 경우는 연구과제의 선정이 단기적 안목과 개별 연구실 중심으로 제안하고 있으며, 추진주체가 대학과 정부출연연구기관이 되고, 기업체는 들러리로 유도되는 경우가 대부분을 이루고 있다. 따라서 연구결과의 활용에서도 기업체가 연구결과 자체에 기대가 있어 실용화를 시도하는 것보다 기업지원자금과 명분에 말려 참여하는 경우가 많다. 그러나 본 논문에 나타난 가오(花王) 주식회사의 바이오 화장품원료 생산을 위한 단백질 생산의 경우는, 기업이 정부의 과제 설정에 적극 참여할 뿐만이 아니라, 대학의 연구실을 최대로 활용하여 그들이 목표로 하고 있었으나 자금과 기술진이 부족하여, 시도하지 못한 것을 이 기회에 정부와 대학의 도움으로 이루고 세계최첨단의 기술을 확보하는 것을 볼 수 있다. 이 연구결과는 바로 자사의 제품생산에 활용하는 것을 볼 수 있다. 우리나라도 이점에
깊은 생각이 있어야 할 것이다.