효모 ‘유전자 스위치’ 개발에 성공

양조‧제빵 위한 새로운 이스트 생산 가능해져

생물을 형성하고 있는 모든 세포는 동일한 DNA를 지니고 있다.

DNA 속에 들어 있는 유전 정보는 전령 RNA에 의해 전사돼 단백질 생성 과정을 돕게 되는데 이 과정을 유전자 발현(gene expression)이라고 한다.

그러나 이 발현이 일어나기 직전에 어떤 유전정보(유전자)들은 활용되고 어떤 유전자들은 활용되지 않는다. 유전자 발현이 일어날지 말지의 여부를 결정하는 것이 유전자 스위치(Genetic switches)다.

과학자들이 효모의 유전자 발현을 지시하는 인공 유전자 스위치 개발에 성공하면서 양조, 제빵 등 발효산업에 큰 변화가 예상된다. 사진은 효모를 사용한 맥주 양조 과정. ⓒWikipedia

유전자 스위치 인위적 설계 가능해져

최근 과학자들은 유전자가위 기술을 통해 유전자 스위치 역할을 하는 부위를 편집하고 있는 중이다.

일본 고베 대학과 지바 대학 공동연구팀은 인공적으로 진핵생물인 효모(yeast)의 유전자 스위치를 생성하는데 성공했다고 밝혔다. 이는 향후 다양한 기능과 특성을 지닌 다양한 효모 생산이 가능하다는 것을 의미한다.

연구팀은 논문을 통해 “새로운 유전자 스위치를 결합하면 세포 기능을 인위적으로 설계 할 수 있다.”라고 말했다. 유용한 유기 화합물을 대량으로 생산하기 위해 정교하고 인위적으로 조절된 효모 세포의 개발이 가능하다는 것.

효모는 3대 미생물 중의 하나로 1,500여 종이 알려져 있다. 그동안 진핵생물의 모델 생물체로 대사, 유전자 발현, 세포 주기 등에 많은 연구가 이루어져 왔는데 양조, 제빵 등 발효식품 제조에 널리 활용되고 있는 만큼 산업적으로 폭넓은 적용이 예상된다.

논문은 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 최근호에 발표했다. 논문 제목은 ‘Robust and flexible platform for directed evolution of yeast genetic switches(효모 유전자 스위치의 진화를 위한 견고하고 유연한 플랫폼)’이다.

고베대, 지바대 공동연구팀이 설명하고 있는 효모 ‘유전자 스위치’ 작동 과정. ⓒMasahiro Tominaga, Kenta Nozaki, Daisuke Umeno, Jun Ishii, Akihiko Kondo.

유전자 스위치는 유전자 발현을 제어하는 ​​유전자 조절 네트워크다.

연구팀은 논문을 통해 어떤 유기체에서 새로운 기능을 ‘인위적으로’ 생성하기 위해서는 이 스위치가 필요한데 그동안 효모와 같은 진핵 생물에 있어 제어할 수 있는 유전자 수에 상당한 제한이 있었고, 또한 유전자 스위치 개발에 어려움을 겪어왔다고 말했다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 컷오프 임곗값을 설정할 수 있는 새로운 선택 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 또 이를 통해 훨씬 쉽고 유연한 방식으로 효모용 고기능 인공 유전자 스위치를 만드는데 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 새로 개발한 플랫폼이 또 다른 유전자 발현 과정에서 적절한 수준과 타이밍을 정밀하게 제어해야 하는 상황에서 간단하고 유연한 적용이 가능해 광범위한 분야에서 응용이 가능할 것으로 예상했다.

식품농업 등에 산업 분야에 큰 변화 예고

최근 합성생물학의 발전은 놀라울 정도다.

지금까지 알려진 생명 정보와 생물 구성요소, 시스템을 바탕으로 그동안 존재하지 않았던 생물 구성요소와 시스템을 설계하거나 실현하고 있다.

고베대와 지바대 공동연구 역시 최근 합성생물학의 수준을 말해주고 있다. 연구팀은 논문을 통해 최근 합성생물학은 “특정 유전자의 발현을 인위적으로 제어해 새로운 세포 기능을 생성할 수 있는 수준에 이르고 있다.”라고 말했다.

유전자 발현을 결정하는 유전자 스위치가 스위치를 ‘켜거나 끌 수 있는’ 조절 시스템을 설계하고 만들어내는데 성공하고 있다는 것.

그동안 대장균(E. coli)과 같은 단순한 구조의 단일 세포 유기체(원핵 생물)에 대해서는 다양한 유전자 스위치가 개발됐지만, 사람이나 식물, 효모와 같은 진핵생물의 유전자 발현 시스템은 매우 복잡해 스위치 개발이 지연되고 있었다고 밝혔다.

연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 진화 분자 공학을 적용했다.

이 방법은 유전자 스위치의 일부 또는 전체에 무작위로 돌연변이를 유도한 다음 의도한 기능을 보여주는 변이체를 선택해 ‘유전자 스위치 변이 라이브러리(library of genetic switch variants)’를 생성하는 방식이다.

유전자 발현이 ‘오프(off)’일 때와 유전자 발현이 ‘온(on)’인 세포를 선택하기 위해 인공 제거 (선택) 과정이 수행됐다고 밝혔다. 이 과정에서 선택에 사용한 화학물질의 유형 또는 농도를 변경해가면서 다양한 강도의 선택을 동시에 생성할 수 있는 분석 환경을 구축했다는 것.

연구진은 변이 그룹을 최종 선택한 후 각 변이를 외부 자극에 노출시키고 GFP(녹색 형광 단백질)에서 방출되는 빛의 수준 변화를 관찰해 가장 높은 수준의 기능을 보여주는 유전자 스위치 변종을 쉽게 식별 할 수 있었다고 말했다.

이 방식을 통해 연구진은 지금까지 효율적인 3개의 새로운 유전자 스위치를 개발했다. 이 세 가지 유전자 스위치를 적절히 조합해 다양한 유전자 발현이 가능한 효모를 생산하고 있다.

알려진 것처럼 효모는 발효 산업 등에 상당한 영향을 미칠 수 있는 중요한 미생물이다. 향후 이 방식을 통해 다양한 기능의 효모 유전자 스위치가 개발될 경우 특히 식품, 농업 등의 산업에 미치는 영향이 매우 클 것으로 예상된다.

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