국내 연구팀이 유전자가 최소화된 미생물의 독특한 생장원리를 밝혀냈다.

5일 한국연구재단에 따르면 KAIST 조병관·김선창 교수 연구팀은 유전자가 최소한으로 축소된 미생물의 생장 원리를 규명하고 유용 단백질 생산 효율을 향상시키는 데 성공했다.

연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 지난달 25일 자로 게재됐다.

최근 유전 공학이 발달하자 세포를 설계·합성하는 합성생물학 기술이 등장했다. 이를 통해 바이오연료나 유용 생리 활성 물질의 생산을 가능케 했다. 특히 최소한의 유전자 이외에 불필요한 유전자를 모두 제거한 최소유전체가 핵심적이다.

그러나 최소유전체를 구축하기 위해선 생명현상에 필수적인 유전자 집합을 알아내야하고 정상 작동하는 최소유전체는 수백 가지 유전자 간 복잡한 상호작용을 규명해야한다. 관련 연구가 진행되는 중이지만 최소유전체 미생물의 유전자 발현이 어떻게 조절되고 유기적으로 상호작용 하는지는 규명되지 않았다. 구축된 최소유전체 미생물을 쓰는 방법이 있지만 성장 속도가 느리거나 유전자 회로 구축이 어려운 등의 문제점들을 갖고 있다.

연구팀은 최소유전체 대장균이 단기간에 적응하고 진화할 수 있는 방법으로 연구를 진행했다. 자연계에서 수백만 년에 걸친 진화가 단기간에 이뤄질 수 있도록 유도했다. 이로써 최소유전체의 성장 속도를 정상세포 수준(기존 최소유전체의 180% 가량)으로 회복시키고 단백질 생산성을 획기적으로 향상시켰다.

특히 최소유전체는 정상 대장균과는 다른 당대사 경로를 이용, 환원력(세포 내에서 고분자 화합물을 합성하는데 필요한 에너지를 제공하는 능력)이 4.5배 높은 것으로 밝혀졌다. 이로써 항바이러스, 항진균, 항암작용 등 유용물질을 80% 더 많이 생산했다는 점도 확인했다. 또 모든 미생물들은 유전자를 조작해도 단백질을 일정 수준 이상 생산하지 못하는 ‘번역 완충’ 현상이 발생하는 반면 최소유전체는 이 현상이 발생하지 않으므로 단백질 생산량도 200% 증대됐다.

연구진은 “이번 연구를 통해 최소유전체의 문제점을 적응진화를 통해 해결했고 다중 오믹스 분석을 통해 다각도로 분석, 최소유전체에 맞는 대사 원리를 발견했다.

또 최소유전체의 높은 환원력, 낮은 번역 완충 등을 활용해 일반 대장균보다 월등히 높은 유용물질 및 단백질 생산 능력을 검증했다”면서 “이를 통해 대사공학의 새로운 패러다임을 제시하고 향후 미생물 기반 유용 물질 생산 및 바이오 화합물 생산 산업에 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 말했다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com