합성생물학이란 무엇일까? 합성생물학(Synthetic Biology) 혹은 합성생명학은 생명과학(Life Science)적 이해의 바탕에 공학적 관점을 도입한 학문으로 자연 세계에 존재하지 않는 생물 구성요소와 시스템을 설계, 제작하거나 자연 세계에 존재하는 생물 시스템을 재설계, 제작하는 두 가지 분야를 포괄한다. 마치 전자기기를 조립하듯 세포를 원하는 대로 합성해 바이오 연료, 생리활성물질, 당뇨병 치료 등에 활용 가능한 물질은 생산하는 유전공학 기술이다. 국내 연구팀이 최근 합성생물학 기술을 이용해 기존 대장균과 성장속도가 비슷하면서 유용 물질 생산량은 두 배 많은 효율적인 대장균을 개발하였다.
KAIST 생명과학과 조병관, 김선창 교수님의 연구팀은 대장균내에서 생명 유지에 불필요한 DNA를 빼는 방식으로 유전체를 약 70% 수준으로 줄인 ‘최소유전체’ 대장균을 개발하였다. 이런 최소유전체 대장균은 단백질 생산 효율이 일반 대장균보다 인슐린과 같은 단백질 생산을 3배 많이 생산한다. 또한 항산화물질, 항바이러스물질 등의 유용 물질도 1.8배이상으로 많이 생산한다 .
그렇다면 어떤 방법으로 이런 물질의 생산성을 증가시킬 수 있었을까? 유용 물질을 생산하는 경우생산 효율을 높이기 이런 물질의 생산에 관여하는 일부 유전자를 변형시킨다. 그런데 일반적인 세포나 미생물은 아무리 유전자를 바꿔도 물질 생산량이 일정 수준 이상으로는 올라가지 못한다. 이는 ‘번역완충’ 현상으로, 세포나 미생물에 존재하는 불필요한 유전자들 때문에 효율이 낮아진 탓이다. 그러나 연구팀은 불필요한 유전자를 제거한 덕분에 이 문제를 해결할 수 있었다.
그러나 최소유전체 대장균의 약점은 정상 대장균의 약 56% 수준으로 느리게 성장해 물질 생산 효율이 떨어진다는 사실이다. 이는 해결하고 싶어도, 새로 만든 생물이다 보니 내부의 유전자 발현이 어떻게 조절되는지 몰라 해결하기 어려웠다. 연구팀은 최소유전체 대장균을 실험실에서 인공적으로 단기간에 진화시키는 방법을 이용했다.
또 연구팀은 이 대장균의 유전체와 전사체(DNA에서 단백질을 만들기 위해 유전 정보를 담은 RNA의 총체) 등을 함께 해독해 성장 속도를 빠르게 하는 돌연변이 118개를 확인하고, 단백질 등 물질을 만드는 대사 과정도 밝혀냈다. 연구팀은 이 정보를 바탕으로 합성 대장균의 물질 생산 능력을 최적화할 방법도 추가로 알아냈다.
이러한 연구를 통해서 앞으로 바이오 연료 생산이나 질병 치료를 위한 생리활성물질의 생산의 미래가 한층 밝아지고 있다. 합성생물학 기술을 이용하는 유전자 다이어트는 미래 바이오산업과 여러가지 질병치료에 큰 발전을 이룩하는데 많은 도움을 줄 것으로 보여진다.
작성자: 17-021 김범준
분야: 합성생물학
참고문헌: 동아사이언스 - [ 유전자 다이어트한 합성대장균 더 많은 단백질을 생산하다] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=27176
이미지 출처: http://dongascience.donga.com/news.php?idx=27176