바이오인

1. 기술의 정의

세포내 DNA 서열에는 먹고 이동하고 상호작용하는 등 세포의 모든 행동을 지시하는 정보가 담겨있고 이는 DNA 내부의 다양한 유전자의 발현에 의해 수행되고 있다. 합성생물학은 이러한 세포의 행동을 제어하기 위해 유용한 기능을 수행하는 DNA를 합성하여 실제 세포에 도입하고 예측 가능한 기능을 수행하도록 하는 새로운 개념의 생물학 연구 분야이다. 즉, 대표적 자연과학 학문인 생물학에 컴퓨터나 전자와 같은 공학적 개념을 적용한 연구 분야로 최소 단위의 기능적 DNA조각을 이용하여 논리 회로를 설계하고 이를 구동하는, 마치 전자 제품을 만드는 과정과 유사하다고 할 수 있다. 이러한 합성생물학은 1961년 대장균의 lac operon을 이용한 유전자 발현의 제어를 시작으로 [Jacob, F.ß., et. al., 1961] 1982년 유전자 전사조절 스위치를 개발하면서 [Ptashne, M., et. al., 1982] 원리 규명 위주의 생물학 연구 개념을 벗어나 원하는 기능을 수행하는 생물 시스템을 직접 만들고자 하는 흐름이 시작 되었다. 그러나 이러한 DNA의 제작을 위해서는 유전자, 프로모터, 터미네이터 등 최소 기능 단위 DNA 조각의 정확한 서열 및 발현 정보를 알아야 하고 또한 이들을 접합 또는 분해할 수 있는 유전자 편집 기술이 필수라고 할 수 있다. 그러나 1900년대 초반의 분자공학 기술은 유전자 cloning이나 PCR 기술이 발전되고 전파되는 시기로 합성생물학 발전에는 한계가 있었다. 그 후 다시 합성생물학이 주목받기 시작한 것은 2000년대 중반 Synthetic Biology 1.0 (SB1.0)과 International Genetically Engineered Machine (iGEM)이 시작되면서부터 라고 할 수 있다. 이러한 재조명의 기반에는 1990년대 중반 비약적으로 발전한 high-thoughput (HT) 기술이 있었다. 그 중 Next Generation Sequencing (NGS)로 불리는 자동화된 DNA sequencing 기술은 폭발적인 유전 정보의 축적을 가능하게 했고 유전자의 발현을 관측하는 DNA microarray 기술은 세포내 모든 유전자의 발현을 대규모로 수집하여 질병과 유전자 발현 사이의 연관성을 규명하거나 역공학 (reverse engineering) 방법으로 유전자 네트워크를 구성하여 개별 유전자 수준이 아닌 전체 수준에서 세포의 상태와 행동을 해석할 수 있게 되었다 (시스템생물학, Systems biology). 이러한 기반 기술의 발달로 자연스럽고 복잡한 생물 시스템을 구성요소들의 계층화와 기능적 모듈화를 통해 마치 전자제품처럼 체계적이고 정교하게 작동하는 시스템으로 보는 시각이 확산하게 된다 (Hartwell, L. H. et. al., 1999). 그러나 시스템생물학과 합성생물학의 가장 큰 차이점은 시스템생물학은 대표적인 top-down 방식의 접근법을 기반으로 하는 것에 반해 합성생물학은 bottom-up 방식을 취하고 있다는 것이다. 따라서 합성생물학에서는 세포 시스템의 기능적 기본 단위인 프로모터, 유전자, 터미네이터 등의 DNA 조각을 생물학적 ‘부품’이라 정의하고 이들의 조합에 의해 생물학적 기능을 수행하는 유전자 네트워크를 ‘디바이스’ 또는 ‘유전자 회로‘로, 디바이스를 호스트에 도입한 최상위 개념으로 ‘시스템’이 정의되어 사용되고 있다.

2. 국내외 연구동향

가. 국외 연구동향

부품 표준화 및 생태계 정립

잘 정의되고 검증된 부품의 사용은 성공적인 유전자 회로를 구성하는데 있어서 가장 중요한 요소라고 할 수 있는데 현재 20,000여종이 넘는 부품의 문서화가 되어있는 Registry of Standard Biological Parts (RSBP,  http://parts.igem.org/Main_Page)와 위 부품들의 검증에 핵심 역할을 하는 iGEM은 합성생물학 발전의 핵심 기반이라고 할 수 있다. 2003년 MIT의 course 중 하나였던 iGEM은 2004년 5팀의 참가로 경연대회 형식으로 진행이 되었고 매년 폭발적인 관심의 증가와 함께 2014년 전 세계에서 약 245개 팀 2,300여명의 참가자들이 참여해 합성생물학 기반의 새로운 아이디어와 시스템으로 경연을 벌였다. 참가하는 모든 iGEM 팀들은 RSBP로부터 원하는 DNA 부품을 무료로 공급받고 RSBP에서는 그 결과물들을 받아서 ‘BioBrick’이라는 포맷으로 부품들을 표준화하고 정보를 데이터베이스화 하고 있다. 따라서 RSBP의 부품들은 여러 팀에 의해서 다양한 조건으로 사용되면서 그 강건성 (robust)이 검증되는데 예를 들어 BBa_B0034 (RBS)의 경우 약 2900번 이상 사용되었고 950개의 문서화가 되어 있으며 BBa_B0015 (Terminator)의 경우 2600번 이상 사용되고 1432개의 문서가 구축되어 어렵지 않게 설계자가 원하는 결과가 나올지 예측할 수 있다. 또한 Golden Gate [Engler, C. et. al., 2008]와 Gibson Assembly [Gibson D., et. al., 2009]와 같은 부품들의 DNA를 빠르게 이어 붙일 수 있는 one-step 조합법들을 도입하여 부품의 저장 및 활용에 대한 표준화도 진행 중이다.  

[그림 1. iGEM 2014]

이러한 RSBP내 정보들은 크게 보면 세 종류로 분류될 수 있는데 센서(sensors)와 입력(inputs) 부품은 세포내 다양한 신호를 감지하는 역할을 하고 유전자 회로 (Genetic circuits)는 감지된 신호를 목적에 맞게 처리하며, 마지막으로 작동자 (Actuators)는 센서나 유전자 회로가 세포의 행동을 어떻게 제어하는지를 나타낸다 [Voigt, C 2006]. 이러한 분류는 연구자의 관점에 따라 달라질 수 있는데 부품은 프로모터, RBS, 종결자 그리고 센서, 작동자, 리포터 등 기능 단백질을 코딩하는 Coding sequence로 나누고 이들의 조합으로 작동되는 유전자회로와 이들을 활용한 다양한 application으로 분류하는 것이 가장 합리적으로 보인다.

유전자 회로 연구의 발달

유전자 회로는 1982년 유전자 전사조절 스위치 개발을 시작으로 현재까지 다양한 종류의 유전자 회로가 개발되어 왔다 [Ptashne, M. et. al., 1982]. 먼저 LacI-Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG), TetR - anhydrotetracycline (aTc), AraC-arabinose 등의 전사 단백질 및 유도 인자들을 기반으로 스위치가 연구되어 유도인자(입력)의 농도에 비례하는 반응을 보이는 회로를 개발하였다 (그림 2-A) [Lutz R, et. al., 1997, 2001]. 이러한 타입의 회로의 센서를 억제자 타입으로 사용할 경우 Invertor 타입의 회로로 사용되어 신호를 증폭할 수도 있다 [Karig D. et. al., 2004].

또한 하나의 입력이 아닌 두 개 이상의 입력 값에 대해 AND 논리로 반응하는 multi-input 스위치도 개발 되었고 [Anderson, J. C. et. al., 2007] 최근에는 단백질 공학적 접근법을 이용하여 T7 RNA polymerase를 분리하고 이 분리된 각각의 단백질 조각을 입력 조건에 따라 발현시켜 두 개의 입력에 대한 AND 로직을 구현한 회로도 소개 되었다 (그림 2-B) [Shis, D. L. 2013]. 토글 스위치는 두 개의 억제자 (repressor), 예를 들어 lacI 와 cI가 서로의 발현을 방해하면서 두 억제자의 inducer (IPTG와 온도) 조건에 따라 쌍안정성 (bistable) 특징을 보이는 회로이다 [Gardner, T. S, 2000] (그림 2-C). 또한 2000년대 초반 자가발현제어 (autoregulation) 회로가 연구되어  세포내 잡음 및 분자 간 확률적 결합에 의한 불확실성을 줄여주어 시스템을 안정화 시킬 수 있음을 보였다 [Becskei, A. 2000, Isaacs, F. J. 2003] (그림 2-D). 또한 세 개의 억제자를 조합한 피드백 회로를 구축하여 리포터의 주기적인 진동 패턴을 만들어 내었으며 [Elowitz, M. B et. al., 2000] 최근에는 미세유체 (microfluidic) 장비와 연계하여 cm단위 약 100분 이내의 주기성을 보이는 형광 진동 패턴을 발생시키고 박테리아 기반 시계와 ‘biopixels’ 개념의 연구를 수행하였다 [Danino, T et. al., 2010, Prindle, A. et. al., 2012, Prindle, A. et. al., 2014]. 이러한 세포내 신호 처리를 위한 회로 개발뿐만 아니라 세포 간 신호 전달을 이용한 연구도 활발히 진행되어 다중 세포에서 패턴 형성이나 [Karig D., et. al., 2004, Basu, S., et. al., 2005] LuxR/I 시스템과 LasR/I 시스템을 조합하여 새로운 유전자 발현 패턴을 발견하고 감염병 등의 응용에 대한 가능성을 제시하였다 [Wu, F., et. al., 2014] (그림 2-F). 

...................(계속)