바이오인

출처 : 생물학연구정보센터(BRIC) 

자연의 화학적 다양성에 접근하고 이를 확장하기 위한 합성 생물학

저자 : 장성호 (POSTECH 화학공학과)

[요약문]

박테리아의 유전체는 수백만 가지의 복잡한 분자들을 생합성할 수 있는 가능성을 내재하고있다. 이렇게 다양한 천연물(naturalproduct)들을 생산할 수 있다면 의약품 발굴 파이프라인을 다시 활성화시키고 복잡한 분자를 합성하는 새로운 경로를 제공할 수 있을 것이다. 이러한 분자들의 생산에 사용되는 대사 경로는 유전체(genome)상의 아주 넓은 범위에 산재한 수십 가지 유전자들로구성되는 경우가 많다. 또한 이런 경로들은 복잡한 메커니즘에 의해 조절되기도 하며, 가장 흥미로운 물질들은 비모델 생물(non-model organism)에 의해 생산된다. 본 리뷰에서는 새로운 DNA 제작 기술, 정밀한 발현 조절과 합성 제어 회로에 사용되는 유전자 부품들 같은 합성 생물학(synthetic biology)의 발전과 다중 유전체 엔지니어링(multiplexed genome engineering)이 천연물 생산 경로의 설계와 합성을 최적화하는데 어떻게 사용되고 있는지 논의할 것이다.

Key Words: 합성 생물학, 다중 유전체 엔지니어링, 대사 공학, 천연물

1. 서론
천연물(natural product)은 식물, 동물, 미생물 등이 생산하는 특화된 대사 물질로, 다양한 화학적 구조와 생물학적 활성을 지닌다. 이 물질들은 임상 현장에서 큰 가치를 지니는데, 지난 30년간 사용 승인된 저분자 의약품(small-molecule drug)의 절반이 천연물로부터 비롯되었다는 점이 이를 뒷 받침한다. 이 분자들은 주로 항생제나 항암치료제 또는 면역억제제로 사용되지만 항바이러스제, 구충제, 효소 저해제, 기능성 식품, 고분자, 계면 활성제, 제초제, 백신 등으로 활용되기도 한다. 천연물은 고갈되지 않는 자원이라는 주장은 자연의 생물학적 및 화학적 다양성이 놀라울 정도인 것에 비해 이런 물질들을 특징짓기(characterize) 위해 사용할 수 있는 기술들이 비교적 저처리능(low-throughput)이라는 차이에 기인한다. 다가오는 미래에는 기술이 발전하여 이 틈을 메우고 좀 더 체계적인 천연물 분석을 가능케 할 것이다.

생물정보학(bioinformatics) 방법의 향상과 유전체 서열 정보의 극적인 증가가 결합하여 아직 발견되지 않은 천연물들의 발견에 실마리를 던져주고 있다. 예를 들어 Streptomyces spp.에서만 적게 잡더라도 150,000가지의 천연물이 생산되는 것으로 추정되고, 그 중에서 5% 미만이 특징지어졌다. 여러 종들에 걸쳐서 수백 가지의 유전체(genome)를 생물정보학적으로 조사했을 때 수 만 가지의 천연물이 있을 것이라 추정하고 있으며, 비교적 덜 연구된 탄수화물이나 지방 같은 종류를 포함하면 그 수는 상당히 늘어난다. 어떤 천연물들은 미생물이 실험실 배양에서 그 물질을 생산하지 않거나, 검출 가능한 농도 이하로 매우 적게 생산되거나, 아직 조사되지 않은 균주에 의해 생산되기 때문에 여전히 특징지어지지 못하고 있다.

천연물을 생산하는 많은 생명체들에서 특정 천연물의 생산, 조절, 이동, 유해한 효과로부터의 보호 등에 관련된 모든 유전자들이 유전체상의 생합성 유전자군(biosynthetic gene cluster, BGC)이라 불리는 조밀한 구역에 모여 있다. 생합성 유전자군(BGC)들은 수 kb (kilobase)에서 100kb를 넘는 정도의 크기다(그림 1). 이 BGC들은 유전체 시퀀싱(sequencing, 서열 분석) 데이터를 분석하여 폴리케타이드1 합성효소(polyketide synthases, PKSs), 비라이보좀성 펩타이드2 합성효소(non-ribosomal pep-tide synthases, NRPSs), 테르핀3 합성효소(terpene synthases), 라이보좀에 의한 합성 및 번역 후 변형 펩타이드4(ribosomally synthesized and post-translationally modified peptide, RiPP) 생합성 유전자를 포함한 이차 대사산물(secondary metabolite)의 주요 합성 유전자들이 존재하는지를 확인함으로써 규명된다. 특정 대사 산물을 생산하는데 관여하는 유전자들이 BGC에 모여있다는 점이 생합성 경로를 특징짓는데 큰 도움이 되는데, 이는 유전자 조작의 결과를 분석 화학으로 손쉽게 확인할 수 있기 때문이다. 이 때문에 천연물들의 BGC들은 새로운 효소를 발견할 수 있는 풍부한 원천이다.

그림 1. 천연물 생합성 유전자군(BGC)의 크기 (파란색: 몇 가지 BGC들, 빨간색: 자연 상태 그대로 합성된DNA, 초록색: 재설계된 유전적 구조를 갖도록 합성된 DNA)

현재 박테리아 유전체를 채굴하는 능력, 즉 미생물의 천연물 생산 능력을 조사하는 것은 DNA 시퀀싱으로 새로운 BGC를 밝혀내는 속도를 따라가지 못한다. 따라서 남아 있는 큰 문제들의 상당 부분은 새로운 BGC를 발굴하는 것보다는 적절한 수준으로 천연물을 생산할 수 있도록 경로를 설계하고 구축하는 것과 관련이 있다. 주목할 점은 DNA 시퀀싱과 DNA 합성 비용이 지속적으로 감소하고 있으며, 미래에 기술이 발달하면 천연물들의 생산에 관여하는 수 많은 경로들을 암호화하는 DNA들을 빠르게 만들 수 있을 것이라는 점이다. 하지만 모델 생산 균주에서 작동하는 거대한 경로의 DNA를 이론적으로(rationally) 설계하는 것은 여전히 어려운 일이다. 생합성을 엔지니어링 하는 것이 여전히 어려운 것에는 몇 가지 이유들이 있다. 먼저 전사, 번역, 단백질간 상호작용, 보조인자(cofactor)들과 전구체(precursor)들, 배출(export)이나 내성과 같은 다양한 요인들이 고려되어야 한다.

게다가 이런 BGC를 보유한 생명체들 중 상당수는 다루거나 배양하기가 어려우며, 몇 가지 성공적인선행 연구들이 있음에도 불구하고 BGC를 새로운 균주로 옮기는 것 또한 간단치 않다. 천연물의 생합성을 엔지니어링할 때 유전 공학과 화학의 여러 하위 분야에서 개발된 도구들이 사용된다. 단백질 공학은 개별 단백질의 성질을 변경시키는데, 활성, 특이성(specificity), 안정성 등이 포함된다. 예를 들어 서로 다른 단백질들의 구역(domain)들을 재조합하여 커다란 PKS나 NRPS ‘조립 라인’의 생산물을 다양화할 수 있다. 대사 공학은 여러 효소들이 어떻게 조합되어 경로를 이루고, 이 조합이 균주의 대사 네트워크를 통과하는 흐름에 어떤 영향을 미치는지를 이해하는 것에 집중한다.

예를 들어 생산량 최적화의 일부로써 전구체로부터 천연물로 향하는 대사 흐름을 증가시킬 수 있다. 응용 미생물학과 균주 공학은 천연물 생산성이 높은 생명체를 규명하고 무작위적 화학적 돌연변이 생성5(random chemical mutagenesis) 같은 과정을 통해 균주의 생산성을 최적화하는 일에 중요하다. 합성 생물학은 유전 공학의 속도와 범위를 가속화하는 도구 개발에 집중해왔다.

본 리뷰에서는 천연물 분야에서의 영향을 고려하여 최근의 합성 생물학의 발전에 대해 논의할 것이다. 우리는 생합성 경로의 설계와 구축의 서로 다른 점들에 집중할 것이다. 이는 BGC를 구축하는데 사용될 유전자 부품들의 라이브러리들, 정밀한 유전자 발현 조절, 대규모 구축 기술, 이런 합성 경로들을 조립할 수 있게 하는 유전체 편집 기술, 합성 경로들을 균주 내에서 발현시키는 기술 등을 포함한다. 천연물을 확인하는 방법들, 전체적(global) 혹은 경로 특이적 조절인자(regulator)들의 조작, 유전체 시퀀싱으로 밝혀낸 BGC들의 우선순위 판별, 전구체들로 향하는 대사 흐름을 증가시키기 위한 대사 공학 등의 다른 분야들은 최근에 리뷰되었으므로 여기서는 논의하지 않는다.

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