미생물 기반 단백질 생산 효율의 획기적 향상
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| 적응 진화를 통한 최소유전체 대장균의 성장 속도 증대
A) 정상 대장균 (MG1655; 검은색)에 비해 성장이 매우 느린 최소유전체 (MS56; 붉은색). B) 60일에 걸친 적응진화 과정. 60일간 세포를 실험실 조건에서 매일 2회씩 계대 (세대를 거듭함) 배양하였다. C) 적응진화 후 정상 대장균과 동일한 수준으로 성장 속도가 회복 됨. D) 정상 대장균 (MG1655)에 비정상적인 세포 형태를 가지고 있던 최소유전체 (MS56)은 적응진화를 통해 정상적인 세포 형태를 회복함 (eMS57) |
한국과학기술원(KAIAT) 조병관, 김선창 교수 연구팀이 유전자가 최소한으로 축소된 미생물의 생장 원리를 규명해 유용 단백질 생산 효율을 향상시켰다고 한국연구재단이 5일 밝혔다.
전자 기기를 제작하듯이 세포를 원하는 대로 합성하여 바이오연료나 생리 활성 물질을 생산하는 유전공학 기술이 등장했다. 그 중에서도 불필요한 유전자를 모두 제거하고 생명을 유지하기 위한 최소한의 유전자만 남긴 ‘최소유전체’가 주목받고 있다.
대장균, 방선균, 효모 등의 최소유전체 제작이 시도되었으나, 성장속도가 느려지는 등 한계가 발생해 활용 가치가 크지 않았다.
연구팀은 자연계에서 수백만년에 걸친 진화과정과 같이 실험실에서 최소유전체 대장균이 단기간에 적응진화하도록 유도했다. 이로써 최소유전체의 성장 속도를 정상세포 수준(기존 최소유전체의 180% 가량)으로 회복시키고, 단백질 생산성을 획기적으로 향상시켰다.
특히 최소유전체는 정상 대장균과는 다른 당대사 경로를 이용하여, 환원력*이 4.5배 높은 것으로 밝혀졌다. 이로써 리코펜* 또는 비올라세인*과 같은 유용물질을 80% 더 많이 생산했다.
또 모든 미생물들은 유전자를 조작해도 단백질을 일정 수준 이상 생산하지 못하는 ‘번역 완충’ 현상이 발생하는 반면, 최소유전체는 이 현상이 발생하지 않으므로 단백질 생산량이 200% 증대되었다.
연구진은 “이 연구를 통해 최소유전체 미생물의 작동원리를 규명함으로써, 향후 미생물 기반 바이오 화합물 생산 산업에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 2월 25일(한국시간) 게재되었다.
■용어설명
*환원력 : 세포 내에서 고분자 화합물을 합성하는데 필요한 에너지(전자)를 제공하는 능력.
*리코펜(lycopene) : 토마토에 대량 들어있는 붉은색의 항산화물질.
*비올라세인(violacein) : 미생물이 생산하는 항바이러스, 항진균, 항암작용을 하는 보라색 색소.
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