과학기술연합대학원대학교(총장 문길주) 김성근(한국생명공학연구원 캠퍼스) 박사과정 학생이 저술한 두 논문이 미국화학회(ACS)에서 발간하는 학술지 ‘합성생물학(Synthetic Biology)’ 최근호에 잇달아 게재 됐다.
‘ACS Synthetic Biology’는 2016년 JCR 기준 합성생물학 분야 상위 9.1%, 영향력지수(IF)가 5.4인 SCI급 학술지다. 두 논문 모두 해당 저널이 자체 집계한 ‘지난 한 달간 가장 많이 읽힌 논문’에 선정됐고 특허를 출원·등록하는 등 연구 우수성을 인정받았다. 게재된 논문은 막단백질의 대량생산 기술 개발에 대한 연구내용이다. 막단백질은 세포막에 존재하는 단백질로서 세포 내 영양분과 생체 신호를 전달하는 중요한 역할을 수행한다. 이 기능이 망가지면 암, 신경계·면역계 질환, 염증 등 다양한 질병이 생길 수 있다. 뿐만 아니라 막단백질은 현재 개발되는 약물 표적(약물이 작용해 기대하는 약효를 보이는 단백질)의 60% 이상을 차지하고 있다. 따라서 막단백질 구조에 대한 이해는 신약 개발에 있어 매우 중요하다. 그러나 막단백질은 세포 내부에 위치한 단백질에 비해 구조가 쉽게 변경되고 금방 분해되어 현재까지 기능이 밝혀진 막단백질은 많지 않다. 사례로 대장균의 경우 약 4,288개의 유전자 중 막단백질은 전체 단백질의 약 30%에 해당하는 1,300여개다. 그 중 기능이 알려진 것은 불과 20% 내외다. 막단백질의 고유 성질로 인하여 현재까지는 소수의 막단백질 만을 대상으로 연구를 수행할 수밖에 없었다.
이러한 난(難)발현 막단백질을 성공적으로 대량생산하기 위한 연구를 수행, 정밀조절 플랫폼 개발에 성공하였다. 우선 막단백질 생산을 증가시키는데 기여하는 가장 중요한 변이가 락 리프레서(Lac Repressor, 젖당 분해 억제 단백질)에 존재함을 밝혀냈다.
락 리프레서를 이용하면 막단백질 발현에 의한 미생물의 생장 저해를 최소화하면서 생산량을 최대화할 수 있는 것이다. 이 방법을 통해 3종류의 막단백질 발현을 정밀하게 조절하여 생산을 최적화하였다. 이 연구는 상업적인 유용성을 인정받아 국내 특허도 등록한 상태다. 본 논문은 이대희 교수(생명연 캠퍼스)가 공동저자로, 윤성호 교수(건국대)가 교신 저자로 이름을 올렸다.
또 다른 논문은 최근 각광 받는 유전자 가위(CRISPR-Cpf1)의 변형 기술인 “크리스퍼 간섭 기술(CRISPRi Platform)” 개발에 대한 연구 내용이다. 세계적 현안인 천연자원의 감소, 지구 온난화와 같은 환경문제로 인하여 미생물을 이용한 치료제, 바이오연료 등 유용물질을 생산하는 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 이러한 유용물질을 생산하기 위해서는 실험체의 외래 효소 발현을 최적화하거나, 대사 경로를 조절하는 정밀한 작업이 중요하다.
이에 따라 미생물의 유전자를 맞춤형으로 조절하기 위해 유전자가위를 재목적화하여 “크리스퍼 간섭 기술”을 새롭게 개발하였다. 5-A형 Cpf1에 돌연변이를 도입하여 새로운 전사조절 단백질을 제작했다. 그 후 이 단백질을 이용하여 유전자의 발현을 가장 효율적으로 조절하는 법칙을 세계 최초로 발견하였다. 이 법칙을 적용하여 대장균의 플라스미드(Plasmid DNA) 혹은 게놈의 유전자를 성공적으로 조절하였다. 뿐만 아니라 유전자의 동시 조절도 가능함을 이번 연구에서 증명하였다.
개발한 이 기술은 합성생물학 및 대사공학적 도구로써 미생물을 이용한 유용물질의 생산성 증대에 기여한다는 점에서 큰 의의를 갖는다. 본 논문은 김하성 교수(생명연 캠퍼스)와 공동저자로, 이대희 교수(생명연 캠퍼스), 이승구 교수(생명연 캠퍼스)가 교신저자로 참여했다.
서울경제 파퓰러사이언스 편집부
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