유전자 축소된 미생물의 독특한 생장 원리 규명
유전자 축소된 미생물의 독특한 생장 원리 규명
  • 함예솔
  • 승인 2019.03.11 06:10
  • 조회수 779
  • 댓글 0
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유전자가 최소화된 미생물의 독특한 생장원리 규명됐다! 출처: fotolia
유전자가 최소화된 미생물의 독특한 생장원리 규명됐다! 출처: fotolia

연구 배경은?

  • 유전공학의 발달로, 전자회로를 설계하고 제작하는 것처럼 세포도 설계 및 합성하는 합성생물학 기술이 등장했습니다. 합성생물학을 통해 구축한 유전자 회로 및 합성 세포는 바이오연료나 유용 생리 활성 물질의 생산을 가능하게 합니다.
  • 그 중에서도 불필요한 유전자를 모두 제거하고 생명을 유지하기 위한 최소한의 유전자만 남긴 '최소 유전체'가 주목받고 있습니다. 최소유전체는 불필요한 유전자의 전사, 번역 및 이로 인해 낭비되는 대사 에너지가 없기 때문에 매우 효율적인 유전체입니다.
  • 최소유전체를 구축하기 위해서는 생명 현상에 필수적인 유전자 집합을 알아내는 것도 중요하지만, 정상 작동하는 최소유전체를 구축하기 위해선 수백 가지 유전자 간의 복잡한 상호작용을 규명해야 합니다. 
  • 대장균, 방선균, 효모 등의 최소 유전체 제작이 시도됐으나, 성장 속도가 느려지는 등 한계가 발생해 활용 가치가 크지 않았습니다. 

 

적응 진화를 통한 최소유전체 대장균의 성장 속도 증대. 출처: 한국연구재단
적응 진화를 통한 최소유전체 대장균의 성장 속도 증대. 출처: 한국연구재단

뭘 발견했는가?

 

  • KAIST 조병관, 김성찬 교수 연구팀이 유전자가 최소한으로 축소된 미생물의 생장 원리를 규명해 유용 단백질 생산 효율을 향상시켰다고 합니다.
  • 특히 최소유전체는 정상 대장균과는 다른 당대사 경로를 이용해 세포 내에서 고분자 화합물을 합성하는 데 필요한 에너지(전자)를 제공하는 능력인 환원력이 4.5배 높은것으로 밝혀졌습니다.
  • 또, 토마토에 대량으로 들어있는 붉은색 항산화 물질인 '리코펜' 혹은 미생물이 생산하는 항바이러스, 항진균, 항암작용을 하는 보라색 색소인 '비올라세인'과 같은 유용 물질을 80% 더 많이 생산했습니다. 

 

적응진화 기간 동안 발생한 돌연변이 분석. 출처: 한국연구재단
적응진화 기간 동안 발생한 돌연변이 분석. 출처: 한국연구재단

어떻게 조사했나?

  • 연구팀은 자연계에서 수백만년에 걸친 진화 과정과 같이 실험실에서 최소유전체 대장균이 단기간에 적응진화하도록 유도했습니다. 이로써 최소유전체의 성장 속도를 정상세포 수준(기존 최소유전체의 180% 가랑)으로 회복시키고, 단백질 생산성을 획기적으로 향상시켰습니다.

 

적응진화 최소유전체의 전사체 분석과 유용화합물 생산. 출처: 한국연구재단
적응진화 최소유전체의 전사체 분석과 유용화합물 생산. 출처: 한국연구재단

특이한 점은?

  • 번역체 해독 결과, 최소 유전체에서는 현재까지 밝혀진 모든 미생물에서 존재하는 번역 완충 현상이 발생하지 않았습니다. 즉, 모든 미생물들은 유전자를 조작해도 단백질을 일정 수준 이상 생산하지 못하는 '번역 완충' 현상이 발생하는 반면, 최소유전체는 이 현상이 발생하지 않으므로 단백질 생산량이 200% 증대됐습니다. 

 

적응진화 최소유전체의 번역체 번역과 외래 단백질 생산. 출처: 한국연구재단
적응진화 최소유전체의 번역체 번역과 외래 단백질 생산. 출처: 한국연구재단

이 연구가 왜 중요할까?

  • 이번 연구를 통해 최소 유전체의 문제점을 적응 진화를 통해 해결했고, 최소유전체에 맞는 대사 원리를 발견했습니다. 
  • 또, 최소유전체의 높은 환원력과 낮은 번역완충 등을 활용해 일반 대장균보다 월등히 높은 유용물질 및 단백질 생산 능력을 검증했습니다. 
  • 향후 미생물 기반 유용물질 생산과 바이오 화합물 생산 산업에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다. 


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