바이오인

핵심내용

저비용·고효율 맞춤형 미생물 검색 형광 플랫폼 개발
- 자체 형광 발현으로 고가 장비 없이 휴대폰 촬영으로 촬영·확인 가능-

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 이승구 박사(한국생명공학연구원) 연구팀이 탐침물질*만 디자인 해 넣어주면 특정한 활성 미생물이나 핵심 효소를 단시간 내 찾아내는 ‘맞춤형 미생물 검색 플랫폼’을 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다.
   * 탐침물질: 특정 효소에 의해 분해되는 화학물질로 분해 시 미생물 유전자회로의 형광단백질 발현을 촉발하는 구조로 디자인되어 있다.

□ 미생물의 활용범위는 다양하다. 인간의 건강 보존과 자연환경의 정화와 같은 바이오 분야를 포함하여 탄소자원을 유용한 화학물질로 전환시키는 용도로 광범위하게 쓰인다. 특히 여러 가지 효소를 많이 확보할수록 그 활용도는 높아진다.

□ 그러나 기존의 방법으로는 특정한 활성의 미생물과 효소를 효율적으로 찾기에는 한계가 있었다.
 o 일반적으로 미생물을 여러 환경의 배지에 배양하여 자동화 정밀 분석기기로 분석한다. 그러나 분석시간이 오래 걸리고 기기가 고가여서 일부 실험실에서만 가능하다.
 o 또한 개별적으로 미생물들을 배양하고 효소마다 다른 측정방법을 적용해야 하므로 동시 다발적인 미생물과 효소의 분석이 어려웠다.
 o 이렇게 세포를 배양하고 파쇄하여 얻은 물질의 양은 극소량이어서, 들인 시간과 노동력에 비해 효율이 적었다.

□ 이에 연구팀은 ‘탐침물질’이 찾고자 하는 ‘특정 미생물과 효소’를 만나 ‘신호물질’로 전환되면서 해당 미생물에 형광 동그라미를 생성하도록 하는 분석 방법을 개발했다.
 o 이 형광동그라미는 특정 미생물과 효소에 반응하여 24시간 이내에 나타난다. 이는 고가의 전문 촬영 장비가 아닌 휴대폰 사진촬영을 통해서도 쉽게 관찰이 가능하다.
 o 이 기술은 탐침물질의 디자인에 따라 300여 종 이상의 효소 활성에 적용할 수 있다. 또한 여러 형광색을 사용하여 동시에 3종류 이상의 효소를 발견할 수 있다.
 o 연구팀은 신호물질을 페놀(Phenol)로 설정하였다. 페놀은 작고 안정적이어서 대부분의 미생물에서 영향을 받지 않기 때문이며, 다양한 탐침물질의 디자인 과정에서 광범위하게 이용 가능하기 때문이다.

□ 김하성 박사는 “해당 성과는 미생물 분석에 합성생물학 기술을 최초로 적용한데 개발의 의의가 있다.”며 “앞으로 산업적으로 가치 있는 고효율 미생물과 효소를 탐색하는데 큰 역할을 할 것”이라며 연구의 의의를 밝혔다.

□ 이승구 박사는 “유전자원 이용 시 해당 국가 법률에 따라 사전 허가를 받아야하는 나고야 의정서 비준을 앞두고 있는 상황에서 토종 유전자원 확보에도 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 덧붙였다.

□ 미래창조과학부 글로벌프론티어사업(바이오합성연구단)의 지원을 통해 거둔 이번 연구 성과는 미국 화학회에서 발간하는 합성생물학 분야 저명학술지인 'ACS Synthetic Biology’에 8월 10일자로 게재되었다.

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : A Cell-Cell Communication-Based Screening System for Novel Microbes with Target Enzyme Activities
   - 저자 정보 : Haseong Kim, Eugene Rha, Wonjae Seong, Soo-Jin Yeom, Dae-Hee Lee, and Seung-Goo Lee

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 미생물은 인간의 건강에 기여하거나 자연환경을 정화하고 탄소자원을 유용 화학물질로 전환하는 등 막대한 활용가치를 갖는다. 이는 엄청나게 다양한 미생물 유전자원에서 특정한 효소기능을 실용적으로 이용하는 것이므로, 바이오산업에 있어서 우수한 효소자원의 확보는 전자산업에서 우수한 반도체기술을 확보하는 것과 같다. 그러나 전통적인 효소자원 확보기술은 특정한 몇몇 단백질들의 활성을 노동집약적으로 측정하거나 고가의 자동화 장비에 의존하고 있으며, 미생물의 생화학적 기능을 단시간에 정량적으로 관찰하는 기술은 극히 제한적이다.

 2. 발견 원리
   ○ 한국생명공학연구원 연구팀은 탐침물질에 반응하여 유전자회로를 구동시킴으로써 미지의 미생물‧효소기능을 대량 탐색하는 합성생물학 기술을 개발하였다. 이는 탐침물질이 특정 생화학적 효소 활성에 의해  미생물간 통신용 신호물질로 변환되어 근접한 미생물이 형광단백질과 필수영양소를 만들어 내도록 유도하는 방법으로 해당 미생물을 명확하게 가시화 하는 효과를 보인다. 

 
3. 연구 성과
   ○ 연구팀은 대전 하수토양 유래 미생물 군을 고상배지에 배양한 후 탐침물질(예를들어 phenyl-phosphate)과 유전자회로를 장착한 대장균을 처리하였다. 미생물군 중에 탈인산효소를 보유한 미생물이 존재하는 경우 해당 미생물 주위에 형광색 동그라미가 형성되고 활성이 없는 세포들과 확연히 구분되어 미생물군집으로부터 손쉽게 해당 미생물을 획득할 수 있었다. 또한 이 기술은 탐침물질에 따라 지질분해, 농약분해, 섬유소분해, 아미노산합성 등 다양한 유전자원의 확보 및 개량기술로도 이용할 수 있었다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 미생물은 지구상 생명체 무게의 60%를 차지할 정도로 무한하며 기후변화에서 질병에 이르기까지 거의 모든 생명현상에 관련되어 있다. 최근 인체/가축/작물에 공생하며 건강에 기여하거나 자연환경을 정화하고 C1가스 등 탄소자원을 유용 화학물질로 전환하는 미생물기술의 개발에 대한 관심이 뜨겁다. 이러한 다양한 활용가치는 엄청나게 풍부한 유전자 기능에 따른 것이며, 이는 전자산업의 반도체기술처럼 바이오산업에서도 미생물‧효소자원의 확보가 중요한 이유이다.
  ㅇ 그러나 전통적인 미생물자원 확보기술은 특정한 몇몇 단백질들의 활성을 노동집약적으로 측정하거나 고가의 자동화 장비에 의존하고 있으며, 미생물의 생화학적 기능을 직접 관찰할 수 있는 기술은 극히 제한되어 있다.

 2. 연구내용
  ㅇ 한국생명공학연구원 바이오합성연구센터는 탐침물질(designed substrates)에 반응하여 유전자회로를 구동시킴으로써 미지의 미생물‧효소기능을 대량 탐색하는 비자연유전자회로(non-natural genetic circuits)를 개발하였다. 이는 탐침물질이 특정 생화학적 효소 활성에 의해  미생물간 통신용 신호물질로 변환되어 근접한 미생물이 형광단백질과 필수영양소를 만들어 내도록 유도하는 방법으로 해당 미생물을 명확하게 가시화 하는 효과와 분자영상기술을 적용한 것이다.
  ㅇ 이 방법을 실증하기 위하여 본 연구팀은 갑천 근처 하수토양 유래 미생물 군을 고상 배양한 후 탐침물질(이 경우 탈인산효소 감지를 위한 phenyl-phosphate)과 페놀감지 유전자회로를 장착한 대장균을 처리하였다. 시료 중에 탈인산효소를 보유한 미생물이 존재하는 경우 해당 미생물의 주위에 형광색 동그라미가 형성되어 활성이 없는 세포들과 확연히 구분되었고 탈인산활성을 갖는 신규 미생물을 용이하게 확보할 수 있었다.

3. 기대효과
  ㅇ 본 기술은 탐침물질만 변경하는 방법으로 동시에 여러 효소활성을 분석할 수 있으며, 최소 300여 종의 다양한 효소활성에 적용할 수 있는 확장성이 대단히 높은 기술이다. 이를 동물의 장내미생물이나 극한환경미생물 등에 적용하면 미생물군집 분석, 바이오촉매 확보 및 대사경로개발 등에 기여할 것으로 예상된다. 
  ㅇ 또한 본 기술은 감지/신호증폭/세포간통신/가시화 등의 인공 기능을 유전자회로에서 구현하는 합성생물학기술로서 이 회로를 도입한 대장균은 고가의 장비나 숙련이 없이도 원하는 기능의 미생물을 쉽게 발굴할 수 있다. 특히 기존기술과 달리 세포 파쇄나 DNA 추출 과정 없이 살아있는 그대로의 미생물을 관찰할 수 있다는 점에서 활용 가치가 높다고 할 수 있다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근 발전된 대량서열분석 기법을 이용해서 다양한 미생물들의 DNA서열을 쉽게 얻고 분석할 수 있으나 실제 생화학적 활성의 관찰은 상대적으로 느리게 적용 가능함. 본 연구를 통해 DNA서열 디자인/합성을 통하여 제조한 유전자회로가 실험효율가속(wet-lab acceleration)에 효과적으로 이용될 수 있음을 입증하고자 하였음.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

먼저 자연계의 생화학적 활성에 의하여 페놀성분을 생성하는 탐침물질(designed substrates)를 세포에 공급하였음. 또한 생성된 페놀성분에 특이적으로 반응하는 전사시스템을 구축하고 리포터로 형광단백질과 미생물세포벽 합성인자를 도입하였음. 따라서 이 센서미생물은 자연계의 생화학적 활성에 따라 세포의 생장 및 형광수준이 결정됨. 즉 탐침물질을 분해하여 페놀을 생성하는 활성주변에서만  생존하면서 동그랗게 형광 고리가 보이는 효과를 나타냄. 최종적으로 하천 근처 환경시료에 적용하여 원하는 효소 활성을 갖는 미생물을 확보하는 기술을 완성함.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

타겟 미생물 주위에 동그란 형광 마킹이 보이도록 하는 것은 두 가지 다른 종류의 미생물의 성장 및 단백질 발현 타이밍에 따라 유무의 가능성이 달라질 수 있음. 이러한 조건을 찾기 위한 노력으로 수십 번의 반복 실험을 수행하고 만족할만한 조건 및 원리를 찾을 수 있었음. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 미생물의 기능 연구는 특정 몇 몇 단백질에 한정된 툴을 사용하거나 서열 비교 분석에 의한 유사기능 추정이 한계였으나 본 방법은 약 300개 이상의 효소 활성을 직접관찰 할 수 있음.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

국내외 다양한 지역 및 환경 토양 샘플과 동물의 장내미생물에 대해 적용하고 탐색 결과 및 발굴 자원의 데이터베이스 구축.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

자연적으로 형성된 형광동그라미가 너무나 자연스럽고 아름다워서 '형광왕관(fluorescent crown)'이라는 이름을 붙이기로 함

...................(계속)

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