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교육과학기술부(이하 교과부; 장관 안병만)는 대장균(Escherichia coli) 중 BL21(DE3)와 REL606 두 종에 대한 유전체 염기서열을 완전히 해독하여 정보를 분석함으로써 이들의 산업적, 학문적 응용을 위한 청사진을 마련했다고 14일 밝혔다.
이번 연구는 21C 프론티어 미생물유전체활용기술개발사업(단장 오태광)이 지원한 미생물유전체정보기지의 연구책임자인 한국생명공학연구원(이하 생명연, 원장 박영훈) 바이오시스템연구본부의 김지현 박사팀이 수행했다.
BL21(DE3)는 다양한 산업 및 의약용 유용단백질과 효소를 대량 생산하기 위한 세포공장(cell factory) 등 합성생물학(synthetic biology) 관련 기술에 널리 쓰이는 균주이고, REL606는 장기간의 진화실험을 통한 환경 적응과 유전자 변이를 비교하는 연구의 모델로 사용되어왔다.
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김 박사팀은 미국 및 프랑스 연구팀이 참여한 국제 컨소시엄(International E. coli B Genome Consortium)을 통하여 연구를 주도하였고, 미국 브룩헤븐국립연구소의 스튜디어(F. William Studier) 박사와 미시간주립대학교의 렌스키(Richard E. Lenski) 교수가 각각 BL21(DE3)와 REL606 균주를 제공하였다.
국내에서는 생명연 김지현/박홍석/허철구 박사 연구팀과 KAIST 김선창 교수팀에서 유전체 서열 해독 및 해석, 유전체 비교, 그리고 최소 유전자 세트(core genome이라고 함)와 팬지놈(pan-genome) 분석 연구를 담당하였다.
한편 프랑스의 유전체연구소인 제노스코프(Genoscope)에 소속된 디젤런(Daegelen) 박사팀은 프랑스의 한 연구팀으로부터 독자적으로 REL606 균주와 DNA를 제공받아서 유전체 해독 과정을 수행했다.
유전체 서열 해독을 위해서 전통적인 생거(Sanger) 방식과 더불어 차세대로 분류되는 님블젠(NimbleGen)과 파이로시퀀싱(pyrosequencing) 방법이 모두 동원되었다. 연구진은 이를 통해 각각 4,557,508 염기쌍과 4,629,812 염기쌍인 (유전자 숫자는 각각 4,157개와 4,205개) BL21(DE3)와 REL606의 유전체 서열을 확보하였다.
공통조상인 B 균주로부터 갈라져 나온 두 균주의 유전체 서열을 정밀 비교 분석한 결과, 여러 번의 단일 콜로니 분리와 자외선 및 화학물질에 의한 돌연변이, 박테리오파지와 삽입서열(insertion sequence)에 의한 삽입과 결실의 흔적이 염색체 상에 고스란히 남아 있음을 알 수 있었다.
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또한 연구진은 확보된 유전체 서열 정보를 바탕으로 대장균 상호 간, 대장균과 이질균 간의 연구를 추가 수행하였다. 대장균 B와 K-12를 비교 연구한 결과, 유전체의 크기와 유전자의 배열이 비슷하고 염기서열도 전체의 92%에 이르는 영역에 대해 99% 이상 동일한 것으로 나타났는데, 이는 사람과 침팬지의 차이와 유사하다.
이질균은 비병원성 공생균, 장내 병원균 및 장외 병원균 그룹에 비해 현저히 작은 코아지놈을 갖고 있고 이는 이질균의 특화된 생태가 유전자 결실을 포함한 진화 가속화를 촉진한다는 것을 의미한다. 또한 장내 병원성 그룹은 다른 그룹에 비해 매우 큰 팬지놈을 갖고 있는데 이는 좀 더 복잡하고 다양한 생활양식을 가능케 하는 수평이동 유전자의 존재 때문일 것으로 해석된다.
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이번 연구를 지휘한 김지현 박사는 한국생명공학연구원 바이오화학/에너지연구센터 책임연구원 및 센터장으로 재직 중이며, 한국과학기술원(KAIST) 생명과학과 겸임교수를 맡고 있다. 김 박사는 이번 연구에 대해 “대장균 2종의 유전체 지도를 확보함으로써 향후 비교유전체, 진화 연구뿐만 아니라 오믹스 연구를 통한 대사 네트워크 예측과 분석 및 단백질 생산 세포공장 균주의 고효율화 등 시스템/합성생물학 융합 분야의 학술적, 산업적 응용을 위한 발판을 마련했다”고 밝혔다.
유전체 해독 과정에서 가장 큰 기여를 한 정해영 박사는 한국생명공학연구원(KRIBB) 선임연구원으로 현재 과학기술연합대학원대학교(UST) 기능유전체학전공 부교수 직에 있다. 정 박사는 “대장균은 학술·산업·보건의료 측면에서 인류에게 가장 중요한 미생물로서 이 논문은 앞으로 관련 분야의 연구자들에게 매우 중요한 참조 정보가 될 것”이라고 하였다.
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한편 오태광 단장은 “이번 성과는 산업적으로 널리 활용되는 미생물을 이용한 산업용 세포공장의 청사진을 확보함으로써 의약 및 바이오산업과 에너지, 환경 문제도 해결할 수 있는 실마리를 마련했다는 데에서 그 의미가 크다”고 평하였다. 오 단장은 한국미생물생명공학회 이사 및 한국유전체학회 부회장을 맡고 있다.
이번 연구는 후속 논문과 함께 분자생물학저널(JMB; Journal of Molecular Biology) 온라인판에 9월 28일 게재되었고, 오는 11월에는 커버스토리(표지논문)로 정식 게재될 예정이다.
이번 연구는 21C 프론티어 미생물유전체활용기술개발사업(단장 오태광)이 지원한 미생물유전체정보기지의 연구책임자인 한국생명공학연구원(이하 생명연, 원장 박영훈) 바이오시스템연구본부의 김지현 박사팀이 수행했다.
BL21(DE3)는 다양한 산업 및 의약용 유용단백질과 효소를 대량 생산하기 위한 세포공장(cell factory) 등 합성생물학(synthetic biology) 관련 기술에 널리 쓰이는 균주이고, REL606는 장기간의 진화실험을 통한 환경 적응과 유전자 변이를 비교하는 연구의 모델로 사용되어왔다.
김 박사팀은 미국 및 프랑스 연구팀이 참여한 국제 컨소시엄(International E. coli B Genome Consortium)을 통하여 연구를 주도하였고, 미국 브룩헤븐국립연구소의 스튜디어(F. William Studier) 박사와 미시간주립대학교의 렌스키(Richard E. Lenski) 교수가 각각 BL21(DE3)와 REL606 균주를 제공하였다. 국내에서는 생명연 김지현/박홍석/허철구 박사 연구팀과 KAIST 김선창 교수팀에서 유전체 서열 해독 및 해석, 유전체 비교, 그리고 최소 유전자 세트(core genome이라고 함)와 팬지놈(pan-genome) 분석 연구를 담당하였다.
한편 프랑스의 유전체연구소인 제노스코프(Genoscope)에 소속된 디젤런(Daegelen) 박사팀은 프랑스의 한 연구팀으로부터 독자적으로 REL606 균주와 DNA를 제공받아서 유전체 해독 과정을 수행했다.
유전체 서열 해독을 위해서 전통적인 생거(Sanger) 방식과 더불어 차세대로 분류되는 님블젠(NimbleGen)과 파이로시퀀싱(pyrosequencing) 방법이 모두 동원되었다. 연구진은 이를 통해 각각 4,557,508 염기쌍과 4,629,812 염기쌍인 (유전자 숫자는 각각 4,157개와 4,205개) BL21(DE3)와 REL606의 유전체 서열을 확보하였다.
공통조상인 B 균주로부터 갈라져 나온 두 균주의 유전체 서열을 정밀 비교 분석한 결과, 여러 번의 단일 콜로니 분리와 자외선 및 화학물질에 의한 돌연변이, 박테리오파지와 삽입서열(insertion sequence)에 의한 삽입과 결실의 흔적이 염색체 상에 고스란히 남아 있음을 알 수 있었다.
또한 연구진은 확보된 유전체 서열 정보를 바탕으로 대장균 상호 간, 대장균과 이질균 간의 연구를 추가 수행하였다. 대장균 B와 K-12를 비교 연구한 결과, 유전체의 크기와 유전자의 배열이 비슷하고 염기서열도 전체의 92%에 이르는 영역에 대해 99% 이상 동일한 것으로 나타났는데, 이는 사람과 침팬지의 차이와 유사하다.
이질균은 비병원성 공생균, 장내 병원균 및 장외 병원균 그룹에 비해 현저히 작은 코아지놈을 갖고 있고 이는 이질균의 특화된 생태가 유전자 결실을 포함한 진화 가속화를 촉진한다는 것을 의미한다. 또한 장내 병원성 그룹은 다른 그룹에 비해 매우 큰 팬지놈을 갖고 있는데 이는 좀 더 복잡하고 다양한 생활양식을 가능케 하는 수평이동 유전자의 존재 때문일 것으로 해석된다.
이번 연구를 지휘한 김지현 박사는 한국생명공학연구원 바이오화학/에너지연구센터 책임연구원 및 센터장으로 재직 중이며, 한국과학기술원(KAIST) 생명과학과 겸임교수를 맡고 있다. 김 박사는 이번 연구에 대해 “대장균 2종의 유전체 지도를 확보함으로써 향후 비교유전체, 진화 연구뿐만 아니라 오믹스 연구를 통한 대사 네트워크 예측과 분석 및 단백질 생산 세포공장 균주의 고효율화 등 시스템/합성생물학 융합 분야의 학술적, 산업적 응용을 위한 발판을 마련했다”고 밝혔다.유전체 해독 과정에서 가장 큰 기여를 한 정해영 박사는 한국생명공학연구원(KRIBB) 선임연구원으로 현재 과학기술연합대학원대학교(UST) 기능유전체학전공 부교수 직에 있다. 정 박사는 “대장균은 학술·산업·보건의료 측면에서 인류에게 가장 중요한 미생물로서 이 논문은 앞으로 관련 분야의 연구자들에게 매우 중요한 참조 정보가 될 것”이라고 하였다.
한편 오태광 단장은 “이번 성과는 산업적으로 널리 활용되는 미생물을 이용한 산업용 세포공장의 청사진을 확보함으로써 의약 및 바이오산업과 에너지, 환경 문제도 해결할 수 있는 실마리를 마련했다는 데에서 그 의미가 크다”고 평하였다. 오 단장은 한국미생물생명공학회 이사 및 한국유전체학회 부회장을 맡고 있다.이번 연구는 후속 논문과 함께 분자생물학저널(JMB; Journal of Molecular Biology) 온라인판에 9월 28일 게재되었고, 오는 11월에는 커버스토리(표지논문)로 정식 게재될 예정이다.
- 임동욱 기자
- duim@kofac.or.kr
- 저작권자 2009-10-15 ⓒ ScienceTimes
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