'미생물 공장' 설계 핵심, 유전자 껐다 켜는 유전자 가위 시스템 개발

KAIST 이주영·화학연 노명현 박사팀 공동연구 성과
"미생물 생산 플랫폼 효율 높여… 새 연구 패러다임"

왼쪽부터 KAIST 생명과학연구소 문수영 박사, 공학생물학대학원(생명과학과 겸임)이주영 교수, 한국화학연구원 노명현 박사, 생명과학과 안난영 연구원. KAIST 제공

국내 연구진이 유전자를 스위치처럼 껐다 켤 수 있는 유전자 가위 시스템을 개발했다. 기존 유전자 가위는 유전자를 억제하는 끄기 기능에 특화됐다면 이번 기술은 억제와 발현 모두를 가능하게 하는 기술로, 미생물 기반 바이오 의약품과 화학물질 생산에 기여할 것이란 기대다.

KAIST는 공학생물학대학원 이주영 교수와 한국화학연구원 노명현 박사 공동연구팀이 대장균에서 원하는 유전자를 동시에 켜고 끄는 것이 가능한 새로운 이중모드 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위 시스템을 개발했다고 21일 밝혔다.

대장균은 실험이 쉽고 산업적 활용으로 이어질 수 있는 대표적인 미생물로, 특히 합성생물학의 기반이 되는 박테리아는 구조가 단순하고 빠르게 증식하면서도 다양한 유용 물질을 생산할 수 있다. 박테리아에서의 유전자 활성화는 '미생물 공장'을 설계하는 핵심 기술로 산업적 가치가 높다.

합성생물학의 핵심은 생명체의 유전자 회로를 프로그래밍하듯 설계해 원하는 기능을 수행하도록 만드는 것이다. 전자회로에서 스위치를 켜고 끄는 것처럼 특정 유전자는 활성화하고 다른 유전자는 억제해 대사경로를 최적화하는 기술이 필요하다. 연구팀이 개발한 이중모드 유전자는 바로 이러한 정밀한 유전자 조절을 가능케 하는 핵심 도구다.

기존 유전자 가위는 주로 끄기 기능을 통해 특정 물질을 억제하는 데 특화돼 유전자를 켜는 기능은 매우 제한적이었다. 또 사람과 동·식물 세포인 진핵세포에서는 CRISPR 기반 활성화가 어느 정도 발전됐지만 박테리아에서는 내부 전자조절 메커니즘 차이로 유전자 '켜기'가 제대로 되지 않는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 표적을 확장해 더 많은 유전자에 접근 가능토록 하고 대장균 단백질을 활용해 유전자 활성화 성능을 대폭 향상했다. 그 결과 기존에 '끄기 위주'였던 유전자 가위가 이번엔 끄기와 켜기를 동시에 할 수 있는 시스템으로 발전했다. 개발된 시스템은 유전자를 켜는 실험에선 최대 4.9배까지 발현량이 늘었고 끄는 시험에선 83%까지 억제할 수 있었다. 두 개 서로 다른 유전자를 동시에 조절할 수도 있는데, 한 유전자는 8.6배 활성화하면서 동시에 다른 유전자는 90% 억제하는 데 성공했다.

노명현 한국화학연 박사는 "박테리아에서도 정밀한 유전자 활성화가 가능해졌다"며 "합성생물학 기반 바이오산업 발전에 크게 기여할 것"이라고 말했다.

이주영 KAIST 교수는 "유전자 가위와 합성생물학을 결합해 미생물 생산 플랫폼의 효율을 크게 높인 결과"라며 "하나의 시스템으로 복잡한 유전자 네트워크를 제어할 수 있어 새로운 연구 패러다임을 제시했다"고 말했다. 또 "이번 기술은 다른 박테리아 종에서도 작동이 확인돼 바이오 의약품, 화학물질, 연료 생산 등 다양한 분야에 활용될 수 있다"고 말했다. 임효인 기자