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식물 합성생물학 활성화 앞당길 담배 표준유전체 구축

- 식물 합성생물학 연구에서 가장 많이 활용되고 있는 담배류 식물 ʻ니코티아나 벤타미아나(N.benthamiana)ʼ의 고품질 표준유전체 해독

- 식물 유전체 기반 고부가 소재 개발 연구 가속화 기대

□ 국내 연구진이 고부가 소재 생산에 많이 활용되고 있는 담배류 식물의 표준유전체를 구축하였다.

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성) 식물시스템공학연구센터 신아영‧권석윤 박사 연구팀은 차세대 염기서열 분석법(NGS, next generation sequencing)을 이용해 담배류 식물인 ‘니코티아나 벤타미아나(Nicotiana benthamiana, 이하 벤타미아나)’의 고품질 표준유전체를 제작하였다고 밝혔다.

ㅇ 이를 통해 향후 담배를 활용해 식물 백신, 기능성 물질과 같은 고부가 소재 연구 활성화에 기여할 것으로 기대되고 있다.

□ 최근 유전자 재조합 기술이 발달하면서 식물을 단순한 식량 공급수단으로 여기던 기존의 한계를 뛰어넘어 식물과 식물 유전자를 활용해 새로운 물질이나 기능을 생산하는 플랫폼으로써 이용하는 연구가 폭넓게 진행되고 있다.

ㅇ 이런 연구에서 널리 이용되는 식물 중 하나가 ‘벤타미아나’이다. 벤타미아나는 키우기 쉽고 성장이 빠르며, 병원성 박테리아에 대한 반응성이 높아 진단용 시약이나 백신 등을 만드는 데 사용되기도 한다.

□ 한편, 연구개발에서 유전체 정보를 활용하기 위해서는 해당 생물 종(種)을 대표하는 품종의 유전자 정보인 표준유전체(Reference Genome)가 필요하다.

ㅇ 표준유전체는 개체 간 차이를 비교할 때 기준이 되는 만큼 정보의 완성도와 정확도가 중요하다.

□ 연구팀은 3세대 염기서열 분석법 중 하나인 나노포어 서열분석법(Oxford Nanopore Sequencing)을 활용해 고품질의 벤타미아나 표준유전체를 완성하였다.

ㅇ 그동안 유럽과 호주를 중심으로 벤타미아나 표준유전체 구축이 추진됐지만 벤타미아나의 복잡한 유전체 구조로 인해 이를 식물 합성생물학 연구에서 활용하기에는 정확성이 낮았다.

ㅇ 연구팀은 유전체 2.76GB(gigabyte, 기가바이트)를 해독하고 총 46,215개의 유전자를 발굴했으며, 표준유전체의 품질 척도인 QV 수치(Quality Value score)에서 49를 달성해 기존 표준유전체의 오류를 월등히 개선하였다.

ㅇ 특히, 나노포어 서열분석법의 경우 식물 핵 DNA를 손상 없이 긴 상태로 추출해야 고품질의 유전체 정보를 생산할 수 있는데, 제1저자인 과학기술연합대학원대학교 한국생명공학연구원 스쿨(UST-KRIBB 스쿨) 고서린 박사과정생은 고순도 고분자량의 식물 핵 DNA 추출하는 방법을 고안해내어 유전체 해독의 정확도를 높였다.

□ 연구책임자인 신아영 박사(UST-KRIBB 스쿨 교수)는 “식물 기반 고부가 소재 생산 연구와 같은 식물 합성생물학 연구에 가장 많이 활용되는 식물인 니코티아나 벤타미아나의 고품질 표준유전체 구축을 통한 식물합성생물학 연구의 기반을 제공할 수 있게 되었다.”라며,

ㅇ “향후, 담배 식물의 개량을 통한 식물 합성생물학 기반 유용 단백질 및 물질 생산 증대 연구는 물론 나아가 산업화에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

□ 이번 연구는 4월 16일 빅데이터 연구 분야의 세계적인 저널인 Scientific Data(IF 9.8) 온라인 판에 게재되었으며,

(논문명 : High-quality chromosome-level genome assembly of Nicotiana benthamiana / 교신저자 : 신아영·권석윤·김용민 박사 / 제1저자 : 고서린·이상희 UST KRIBB 스쿨 박사과정, 구현진 박사)

ㅇ 과기정통부 개인기초연구사업, 교육부 학문보호사업, 한국생명공학연구원 주요사업의 지원으로 수행되었다.

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 <그림 설명>

그림1. 니코티니아 벤타미아나(Nicotiana benthamiana)
* 출처 : https://btiscience.org/explore-bti/news/post/release-draft-genome-sequence-nicotiana-benthamiana/

그림2. 니코티니아 벤타미아나 유전체 모식도
(a) 니코티아나 벤타미아나 염색체 구조 비교
(b) 니코티니아 벤타미아나 유전체 모식도

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