KAIST, 최소유전체 생장원리 규명하고 단백질 생산 효율 대폭 높여

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한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)이 최소한으로 축소된 미생물을 이용해 유용단백질 생산 효율을 향상시켰다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 조병관·김선창 생명과학과 교수팀이 '최소유전체' 대장균을 단기간에 적응·진화하도록 유도하고, 이를 활용해 단백질 생산성을 획기적으로 높이는데 성공했다고 5일 밝혔다.

적응진화 최소유전체 전사체 분석 내용과 유용화합물 생산량
<적응진화 최소유전체 전사체 분석 내용과 유용화합물 생산량>

최소유전체는 불필요한 유전자를 모두 제거하고 생명을 유지하는 최소 유전자만 남긴 유전체다. 원하는 대로 세포를 합성해 바이오연료나 생리 활성 물질을 생산하는데 쓸 수 있다.

문제는 유전자 발현 조절과 상호작용 연구가 적어 성장속도가 느리거나 유전자 회로 구축이 어렵다는 점이다.

연구팀은 최소유전체 규명부터 시작했다. 유전체 분석으로 적응진화 과정에서 발생한 118개 돌연변이를 발견하고 이를 재현·검증해 성장 속도를 높이는 원인 유전자를 규명했다. 최소유전체 대사 경로와 유전자 발현이 일반 미생물과 상당히 다르다는 것을 규명했다. 또 재구축 당대사와 필수 아미노산 대사 경로 분석으로 최소 유전체에 맞는 최적화 대사 원리를 제시했다.

이를 활용한 실제 최적화 최소유전체 플랫폼 균주도 만들었다. 자연계에서 수백만년에 걸쳐 진행되는 진화 과정을 실험실에서 가속시켜 최소유전체 대장균 성장 속도를 1.8배 높였다.

이렇게 만든 최소유전체는 세포 내 고분자 화합물을 합성하는데 필요한 에너지 제공 능력(환원력)이 정상 대장균보다 4.5배 높았고, 리코펜이나 비올라세인과 같은 유용물질을 80% 더 많이 생산하는 것으로 나타났다. 다른 모든 미생물과 달리 단백질을 일정 수준 이상 만들지 못하는 번역 완충 현상이 없어 단백질 생산량도 200% 더 많았다.

조병관 교수는 “이번 연구로 최소유전체 미생물 작동원리를 규명하고 실제 산업에 활용할 수 있는 플랫폼 균주도 만들었다”면서 “앞으로 미생물 기반 바이오 화합물 생산 산업에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com