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탄소중립을 앞당길 광합성 미생물 크리스퍼 기술 개발

- 광합성 미생물의 낮은 유전자 교정 효율을 극복하여 기존보다 10배 이상 향상 시킬 수 있는 유전자가위 기술 확보

- 이산화탄소 흡수 능력을 극대화한 광합성 미생물 개발로 탄소저감 기술 실현을 앞당길 것으로 기대

□ 흔히 미세조류로 알려져 있는 광합성 미생물은 기후 변화의 주범인 이산화탄소를 빠르게 흡수하는 동시에 다양한 유용 물질을 생산할 수 있어 탄소 감축 기술의 핵심 플랫폼이자 지속 가능한 차세대 생물자원으로서 주목받고 있다.

□ 최근 전 세계의 기후 변화 현상은 갈수록 심화되고 있어 생태계에서 탄소 포집과 기후 완화에 중요한 역할을 하고 있는 광합성 미생물(미세조류)을 활용한 기술 개발이 더욱 필요한 상황이다.

□ 한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 세포공장연구센터 김희식 박사 연구팀은 크리스퍼 단백질의 핵내 정밀 유도를 통해 광합성 미생물의 유전자 교정 빈도를 10배 이상 크게 향상시킬 수 있는 유전자가위 기술을 개발하여 탄소감축 저감 기술 실현을 앞당길 것으로 기대된다.

□ 광합성 미생물을 탄소감축에 효과적으로 이용하기 위해서는 유전자가위로 정밀하게 유전자를 교정하여 이산화탄소 흡수 능력을 극대화시켜야 한다.

ㅇ 하지만 기존의 크리스퍼 단백질 유전자가위 기술은 광합성 미생물의 핵 내부로 들어가기 어려워 유전자 교정기술에 있어 유전자가위의 활용도가 극히 낮아 광합성 미생물의 탄소감축 활용에 큰 장애로 작용하였다.

□ 연구팀은 낮은 유전자가위 전달 효율을 해결하기 위해 자연모방기술을 활용하는 방법을 고안해 냈다.

ㅇ 자연계에는 일명 ‘유전자 편집자(gene editor)’라고 불리며, 특정 생물(숙주)에게 자신의 유전 정보를 자유롭게 전달할 수 있는 생물들이 있는데, 대표적인 예로 아그로박테리움(Agrobacterium)이라는 토양 미생물이 있다.

□ 연구팀은 아그로박테리움이 자신의 유전 정보를 핵 내부로 전달하는 과정에서 NLS(nuclear localization signal; 핵위치 신호)가 핵심적인 역할을 한다는 사실에 착안하여 대표적인 유전자가위인 크리스퍼 Cas9 단백질에 NLS을 이식한 ‘DN Cas9’ 단백질을 개발하는데 성공하였다.

ㅇ 새로 개발한 유전자 가위 ‘DN Cas9’은 광합성 미생물인 클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii)의 유전자 교정 실험에서 기존의 유전자가위 보다 정밀하게 핵 내부로 유도되어 단백질이 다량으로 축적되었으며, 유전자 교정 빈도 수치도 10배 이상 향상시켰다.

ㅇ 또한, 연구팀은 다른 광합성 미생물에도 해당 기술로 유전자 교정 빈도를 향상시키는데 성공하여 이번에 개발한 유전자 가위 단백질이 범용적으로 활용될 수 있음을 확인하였다.

□ 연구책임자인 김희식 박사는 “본 연구성과는 전 세계 최초로 유전자 교정 대상 생물의 핵 내부 물질 전달 원리를 활용하여 유전자가위 기술을 개발한 것으로, 광합성 미생물의 낮은 유전자 교정 효율이라는 큰 장애물을 넘는데 필요한 핵심 기술로 광합성 미생물 기반 탄소저감 기술의 실현을 앞당기는데 중추적인 역할을 할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

□ 한편 이번 연구성과는 종합과학 국제학술지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS, IF 9.4)’ 3월 3일자 온라인 판에 게재되었으며,

    (논문명: Cas9-mediated gene editing frequency in microalgae is doubled by harnessing the interaction between Importin α and phytopathogenic NLS / 교신저자 : 생명연/UST KRIBB 스쿨 이용재, 김희식 박사, 제1저자 : Le Thi Trang, 최홍일, 김지원 박사)

ㅇ 과기정통부 STEAM 연구사업과 개인기초연구사업 지원으로 수행되었다.

 <그림 설명>

그림 1. 핵위치 신호에 의해 매개되는 유전자가위의 핵 내부 전달 메커니즘
  유전자가위와 같은 단백질의 핵 내부 전달은 NLS(nuclear localization signal)이라 불리는 핵위치 신호 아미노산 서열이
  생물체 내 생체 물질 수송 메커니즘에 의해 인식됨으로써 시작되며 이는 관심 생체 분자의 핵내 유도 여부를 결정하는 중요 과정임.

그림 2. 모델 광합성 미생물 클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii)에서
단백질의 핵 내 유도 메커니즘 규명을 위해 수행된 컴퓨터 시뮬레이션 기반 임포틴 알파(Importin α; Impα) 단백질과 NLS 간의 결합 예측 결과
  Impα 단백질은 생물체 내에서 NLS를 인지하는 동시에 핵 내로 관심 단백질을 직접 수송하는 ‘조종사 단백질(pilot protein)’ 역할을 하는
  핵 내부 물질 전달 메커니즘의 핵심 요소로, 현재까지 광합성 미생물 내에서 Impα 단백질의 구조나 결합 과정이 과학적으로 설명된 바 없었기 때문에,
  본 연구에서의 개발하고자 했던 고성능 유전자가위의 개발 및 실제적 성능 규명에 앞서,
  먼저 유전자 교정 타깃 생물체(본 연구에서는 광합성 미생물) 내에 존재하는 Impα 단백질의 특정과 NLS와의 결합 구조 분석을 수행하였음.

그림 3. 자연모방기술을 이용해 개발된 DN Cas9 유전자가위 단백질의 형광 염색 및 공초점 현미경의 활용을 통한 핵내 정밀 유도의 시각적·정량적 확인

그림 4. 세포막 약화 기술과의 융합을 통해 기존 Cas9 유전자가위 기술에 비하여 10배 이상의 정밀 유전자 교정 효율(유전자 교정 빈도로서 ) 증대 확인

...................(계속)

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