한국과학기술원(KAIST) 이주영 교수와 한국화학연구원 노명현 박사 공동 연구팀은 대장균(박테리아의 일종)에서 원하는 유전자를 동시에 켜고 끌 수 있는 '이중모드 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위' 시스템을 개발했다고 21일 밝혔다.

유전자 가위는 인간·동식물 세포의 특정 염기서열을 찾아내 해당 부위 데옥시리보핵산(DNA)을 절단함으로써 유전체를 교정하는 기술이다.

대표적으로 '크리스퍼 카스9 유전자가위'(CRISPR-Cas9)가 널리 활용되고 있는데, 절단 효소인 카스9(Cas9) 단백질과 교정할 유전자 부위를 찾아주는 '가이드 리보핵산(RNA)'이 결합해 유전체를 편집하는 방식으로 작동한다.

다만 '끄기'(억제) 기능에 특화돼 유전자 발현을 막는 데는 뛰어나지만, 유전자를 켜 활성화하는 기능은 제한적이다.

그나마 사람·식물·동물 등 다세포 생물의 기본 단위인 진핵세포에서는 켜는 것이 가능하지만, 박테리아에게서는 유전자 켜기가 되지 않는다는 한계가 있다.

박테리아는 구조가 단순하고 빠르게 증식하면서도 다양한 유용 물질을 생산할 수 있어, 합성생물학(미생물을 살아있는 공장처럼 만들어 의약품과 화학물질 등을 생산할 수 있는 핵심 기술)의 기반이 된다.

합성생물학 분야에서 박테리아의 유전자 활성을 조절해 대사경로를 최적화하는 기술이 주목받고 있지만, 기존 유전자 가위로는 켜는 것이 어려웠다.

연구팀은 PAM(유전자 가위가 인식하는 부위) 폭을 넓힌 진화된 'dxCas9'를 개발, 대장균 단백질과 결합해 이중모드 유전자 가위(dxCas9-CRP)를 개발했다.

크리스퍼 유전자 가위와 달리 dxCas9이 DNA를 자르는 것이 아니라 가이드 RNA에 붙거나 떨어지는 방식으로 유전자 활성을 조절한다.

세포 내에 형광단백질을 주입해 성능을 검증한 결과, 유전자를 켜는 실험에서는 최대 4.9 배까지 발현량을 높였고, 끄는 실험에서는 83%까지 억제하는 데 성공했다.

이를 이용해 대장균으로부터 항암효과가 있는 색소 '바이올라세인'을 생산하는 실험을 한 결과, 단백질 생산을 돕는 유전자를 켜면 2.9배, 세포 분열을 촉진하는 유전자를 끄면 3.0배 생산량이 늘어난 것으로 나타났다.

두 유전자를 동시에 조절하자 바이올라세인 생산량이 3.7배 급증했다고 연구팀은 설명했다.

이주영 교수는 "유전자 가위와 합성생물학을 결합해 미생물 생산 플랫폼의 효율을 크게 높인 성과"라며 "다른 박테리아 종에서도 작동하는 것으로 확인돼 바이오 의약품·화학물질·연료 생산 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

문수영 박사후 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지 '핵산 연구'(Nucleic Acids Research) 지난달 21일 자 온라인판에 실렸다.