바이오인

  차세대 유전체 합성 연구개발 동향 및 전망

한국생명공학연구원 합성생물학 연구센터 김하성 책임연구원

충남대학교 학연산협동과정 박사과정 박소윤

1. 개요

2022년 4월 최고 권위의 과학저널 ‘Science’에는 인간유전체프로젝트(HGP, 2003 완료)에서 해독하지 못하고 남아있었던 8%의 DNA를 모두 해독 완료한 논문 6편이 시리즈로 게재되었다 Nurk, Sergey, et al. "The complete sequence of a human genome." Science 376.6588 (2022): 44-53.

. 1990년 시작된 HGP 이 후 약 30년 만에 30억개의 모든 인간 DNA 서열이 해독된 것이고 이는 NGS로 대표되는 고처리 DNA reading 기술이 있었기에 가능했다. 2003년 완료된 HGP의 후속 프로젝트인 ENCODE에서는 DNA-Seq, RNA-Seq, ChIP-Seq 등 발전된 DNA reading (DNA 해독) 기술을 통해 얻어진 다양한 오믹스 데이터를 분석하여 인간 게놈을 구성하는 기능적 요소들을 완전히 설명하는 것을 목표로 지금까지 20년간 약 7000건 이상의 실험 결과가 도출되었다 Feingold, E. A., and L. Pachter. "The ENCODE (ENCyclopedia of DNA elements) project." Science 306.5696 (2004): 636-640.

. ENCODE를 포함한 전통적 생물학 연구는 DNA reading 기술을 활용한 생명현상의 이해로 볼 수 있다. 반면 ‘합성생물학’은 DNA writing 기술을 활용해서 보다 근본적인 생명현상의 이해를 추구하는 학문이다. 합성생물학을 소개할 때 “만들 수 없다면, 이해한 것이 아니다”라는 리차드 파인만의 문구가 인용되는 것도 이 때문이다. 특히 코로나19용 mRNA 백신이나 기후변화 대응을 위한 미생물 기반 친환경 생산기술이 주목을 받으며 DNA writing 기술의 중요성이 확대되고 있다. 본 기술 동향에서는 플랫폼 기술로서의 합성생물학 기반 기술, 특히 유전체 스케일의 DNA writing을 위한 차세대 유전체 합성기술에 관한 연구 동향과 함께 전망에 대해 고찰하고자 한다.

2. 연구개발 동향 및 전망

가. 올리고머 합성 기술

DNA 제작을 위한 화학적 합성법은 1950년대 중반 처음 소개된 후 현재까지 가장 많이 사용되고 있는 방법이다. 이 방법은 특정 지지체에 핵산 단량체를 하나씩 연속적으로 붙여가며 자연계에서와 다르게 3‘에서 5’ 방향으로 확장되는 방식이다. 일반적으로 사용되는 phosphoramidite 합성은 4단계로 구성된다. 고체 지지체에 부착된 상태의 dimethoxytrityl (DMT) nucleoside phosphoramidite는 DMT가 제거되면서 활성화되고 다른 DMT nucleoside phosphoramidite 모노머가 앞서 nucleoside phosphoramidite의 5’–OH에 커플링되며 확장된다. 이때 반응하지 않은 nucleoside phosphoramidite의 5‘-OH는 acylation에 의해 capping되어 부산물의 생산을 막으며 마지막 oxidation을 통해 phosphate backbone을 만든다. 이러한 사이클을 반복하며 원하는 서열의 올리고머를 합성하며 마지막으로 올리고머를 고체 지지체에서 떼어내고 염기와 backbone의 보호기를 제거하면서 합성이 완료된다 Cheng, Ji‐Yen, et al. "High throughput parallel synthesis of oligonucleotides with 1536 channel synthesizer." Nucleic Acids Research 30.18 (2002): e93-e93.