국제 연구 컨소시엄의 일원으로 활동하는 미국 존스홉킨스대 다학제간 연구팀이 완전 합성 효모 유전체의 설계를 처음으로 완료했다고 과학저널 ‘사이언스’(Science) 10일자에 발표했다.

이번에 발표한 연구 관련 6개 논문에는 디자인 컨셉과 설계 과정에 대한 세부사항을 비롯해 천연 숙주 효모세포에 인조(합성) 효모 염색체를 성공적으로 통합한 연구 과정도 함께 실렸다.

이 완전 인조 게놈은 사카로마이세스 세리비지애(Saccharomyces cerevisiae) 2.0 혹은 Sc2.0으로 명명됐다. 논문 제1저자인 존스홉킨스의대 생의학 공학과 조엘 베이더(Joel Bader) 부교수는 인조 게놈을 탑재한 효모 세포가 “학술 연구 및 산업 응용분야에서 매우 유용하게 활용될 것”이라고 말했다.

베이더 교수는 “천연 효모는 효소나 항생제와 같이 생명공학에 활용되는 제품을 만들기 위한 주요한 유기체이지만 신제품을 최적화하기에는 비효율적이었다”며, “이번에 설계한 합성 염색체 세트는 효모 유전체가 스스로 즉시 최적화를 수행함으로써 이런 문제를 극복할 수 있다”고 설명했다.

합성 유전체 크기 ‘쓰레기’ 없애 천연보다 8% 작아

디자인 계획에 따른 Sc2.0의 크기는 천연 효모보다 약 8%가 작다. 이것은 천연 효모에 코딩되지 않은 ‘쓰레기’ DNA와, DNA를 불안정하게 만들고 돌연변이를 일으키기 쉬운 유전자 배열을 재배치해 크기가 줄었기 때문이다.

합성 게놈은 또 맞춤 설계가 가능해 과학자들이 답을 얻기가 어려운 염색체의 구조와 기능 및 진화를 연구하는데 도움을 줄 수 있다는 것.

베이더 교수는, 예를 들어 Sc2.0에 SCRaMbLE이라는 생화학 시스템을 장착하면 효모 균주로 하여금 특정 단백질을 만들도록 하는 유전자의 수많은 변이 결과를 연구자가 동시에 탐색할 수 있다고 말했다.

Sc2.0의 또 다른 흥미로운 특징은 DNA로부터 단백질을 만드는데 사용되는 코돈(codons)이라는 세 글자 코드를 포함하고 있다는 점이다. 쳔연 효모는 단백질 제조가 완료됐을 때 단백질 제조 기구에 신호를 보내는 ‘정지 코돈’이 세 개 있으나 Sc2.0은 단 하나만을 갖도록 설계됐다. 베이더 교수는 이것이 “특별한 목적이 있을 때 유전자 코드를 확장하도록 하기 위해 사용하지 않은 코돈을 활용할 수 있는 여유를 준다”고 설명했다.

천연 효모에 합성 유전체 통합 예정

베이더 교수는 이제 인조 효모 게놈 디자인이 완료됨으로써 다음 목표는 살아있는 천연 효모에 합성 게놈을 통합하는 작업이라고 밝혔다. 이미 여섯 개의 완전한 합성 염색체가 살아있는 세포에 통합됐다. 나머지 염색체에 대한 작업도 빠르게 진행되고 있어 프로젝트의 마지막 단계에는 모든 합성 염색체를 단일 효모 세포에 통합할 수 있을 것으로 보고 있다.

통합 과정은 게놈의 작은 ‘덩어리(chunks)’가 정상 효모 세포에 순차적으로 병합되는 모듈 방식으로 진행된다. 각 덩어리를 제 자리로 넣은 다음 변형된 효모 세포를 성장시키면 자연 효모와 활성 상태를 비교할 수 있다.

통합 과정에서 합성 게놈이 손상되면 오류가 생긴 컴퓨터 소프트웨어 코드를 ‘디버그’하듯이 합성 게놈의 시퀀스를 조사해 결함 있는 게놈 조각을 찾아내서 교체하게 된다.

천연 효모보다 염색체 한 개 추가된 합성체 완성 예정

2014년에 합성 효모 염색체를 모듈 방식으로 천연 효모에 통합했다는 보고가 나왔는데, 당시 베이더 교수는 이 연구팀의 일원이었다. 그때 염색체 합성은 대부분 존스홉킨스대 학부생들이 교육과정의 하나로 수행했었다. 이번 ‘사이언스’지 발표에는 그 같은 개별 염색체 통합 사례가 다섯 가지 더 소개됐다.

여섯 개의 완성된 합성 염색체 이외에 다른 여러 개가 현재 조립 과정 중에 있다. 베이더 교수는 2년 안에 모든 합성 염색체가 단일 효모 세포에 통합될 것으로 기대한다고 말했다. 효모는 16개의 염색체를 가지고 있으며, 연구진은 Sc2.0 프로젝트의 일부로 중요한 단백질 제조 기구를 한 곳에 두는 17번째 염색체를 만들고 있다.

베이더 교수는 “어떤 근본적인 장벽에 부닥치지 않았기 때문에 연구는 확고한 궤도를 순항하고 있다”고 밝혔다.

2006년 베이더 교수와 동료 연구진에 의해 시작된 이 프로젝트의 최종 단계는 17개의 합성 염색체를 천연 효모 세포에 통합해 완전한 인조 효모 유전체를 완성함으로써 마무리될 예정이다.