‘대장균’ 생체정보로 친환경 녹색 바이오산업 청신호!

대장균 바이오공장의 핵심 생체 정보를 밝히다

- Genome Biology지 발표,“고효율 맞춤형 세포공장 개발 가능성 열어”-

과학적인 연구뿐만 아니라 산업적 응용에도 널리 활용되는 모델 생명체인 ‘대장균’의 생명현상과 관련된 중요한 생체 정보(이른바 오믹스 정보)가 국내 연구진에 의해 규명되어, 바이오의약, 바이오화학, 바이오에너지 등 친환경 녹색 바이오산업을 위한 기술 개발에 청신호가 켜졌습니다.

※ 오믹스(Omics) : 특정 세포 속에 들어 있는 생리현상과 관련된 대사에 대한 대량의 정보(전사체, 단백질체, 형질체 등)를 통합적으로 분석하여 생명현상을 밝히는 학문

연세대 김지현 교수, 생명연 윤성호 박사 및 KAIST 이상엽 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 21세기프론티어사업 및 글로벌프론티어사업 등의 지원으로 수행되었고, 유전학 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘Genome Biology (IF = 9.036)’에 최종 인쇄본이 온라인으로(6월 29일) 게시되었습니다.

생명현상을 이해하기 위한 대표적인 모델인 대장균은 산업적으로도 매우 중요한 미생물(산업미생물)로서, 의약용 단백질 등 다양한 유용 재조합단백질 생산과 석유화학을 이용해 만든 각종 화학물질을 대체하는 친환경 바이오화학제품 개발에 이용될 뿐만 아니라, 화석연료와는 다른 저탄소 신재생연료(바이오에탄올 등)를 생산할 수 있어 작은 세포공장(cell factory)으로 불립니다. 

최근 석유자원의 고갈과 석유화학제품의 대규모 사용에 따른 지구 환경오염 및 온난화의 문제가 심각해지고 있는 가운데, 친환경 녹색기술 개발은 그 어느 때보다 중요합니다. 따라서 에너지원으로 이용되는 식물과 미생물 등 다양한 생물체(바이오매스)를 활용해 바이오에너지와 바이오화학제품을 생산하는 고효율 맞춤형 미생물 바이오공장을 개발하기 위해서는 생체 네트워크에 대한 시스템 수준의 이해가 선행되어야 합니다. 

지금까지는 대장균을 비롯한 세포공장의 유전자 정보는 물론 대사와 생리 및 기능에 대한 종합적인 정보가 부족해, 주로 단순한 시행착오 방식(무작위로 하나씩 맞춰보는 방식, trial and error)으로 연구개발이 진행되어 진행속도가 더뎠고 비효율적이었습니다. 만일 모든 생체 정보(오믹스 정보)를 확보한다면 산업미생물의 생체 네트워크를 이해할 수 있을 뿐만 아니라 맞춤형 유전체 설계가 가능해, 각종 유용단백질, 바이오화학제품과 바이오에너지 생산에 가장 적합하고 효율적인 미생물을 개발할 수 있게 됩니다. 

연구팀은 가장 많이 활용되는 대장균 2종(대장균 B와 K-12)의 각종 오믹스 정보(전사체, 단백질체, 형질체 등)를 확보하고, 컴퓨터 모델링(인실리코 분석 및 검증)을 이용해 시스템 수준에서 대장균의 대사 네트워크를 재구성하고 대장균 2종을 비교 분석하는데 성공하였습니다. 

대장균 B 균주에 대해 유전자 암호가 mRNA로 전사되고 이로부터 단백질이 만들어져 여러 대사회로를 통해 형질로 나타나는 전 과정의 다중 생체 정보를 확보하고, 시스템 수준에서 통합적으로 분석하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 생체 네트워크를 재구성하여 확인한 것은 이번이 처음입니다. 

※ mRNA(messenger RNA) : DNA의 유전정보를 리보솜에 전달하는 RNA

그 결과, 연구팀은 대장균 B 균주가 K-12에 비해 아미노산 생합성 능력이 뛰어나고 단백질분해효소가 적으며 편모가 없어, 인슐린, 섬유소분해효소와 같은 외래 재조합 단백질을 생산하는데 매우 적합한 특성을 가지고 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 또한 대장균 B 균주는 단백질 분비 시스템을 2개나 보유하고 있고, 단백질 분비에 유리한 세포벽과 세포외막을 구성하고 있어 생산된 단백질을 세포 밖으로 배출하는데 유리하다는 것을 확인하였습니다. 반면에 K-12 균주는 고온에 노출되면 이에 대응하는 유전자를 더 많이 발현하고, 몇 가지 스트레스 조건에 덜 민감하였습니다. 

특히 연구팀은 이번 연구에 활용된 대장균 B와 K-12의 유전자들이 어떻게 상호작용하는지를 분석하는(마이크로어레이) DNA칩을 21세기프론티어사업의 지원으로 제작하여 국내외 연구자들에게 무상으로 제공함으로써, 관련 연구 촉진과 저변 확대에도 기여하였습니다. 

김지현 교수는 “이번 다중 오믹스 정보를 이용한 시스템 수준의 분석 연구는 우리 연구진이 지난 2009년에 규명한 대장균 유전체 지도 정보와 유전체 진화 양상과 함께 고효율 맞춤형 세포공장 개발에 청사진을 제공할 바이오시스템 디자인에 필수적인 정보와 핵심 기술을 확보했다는 점에서 그 의미가 크다”고 연구 의의를 밝혔습니다. 

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