효모 세포 공장 개발을 위한 합성생물학

한국화학연구원 이주영 박사

1. 개요
합성생물학(synthetic biology)과 대사공학(metabolic engineering)은 기존의 바이오 연료나 석유화학 기반의 범용성 제품에서 탈피하여 신규 기능성 소재 및 스페셜티(specialty) 제품의 생산이 가능한 새로운 미생물 세포 공장의 개발을 가능케 하고 있다 (그림 1). 단일 효소에 의해 생산되는 비천연 케미컬인 lactic acid나 xylitol이 효모에서 최초로 생산된 이후, 합성생물학의 발전과 함께 다수의 효소 반응에 의해 생산되는 amorphadiene, indolyglucosinolate, plant alkaloid 등과 같은 복잡한 케미컬의 생산도 가능해졌다.

최근 Amyris와 Sanofi는 파트너쉽을 맺고 효모에서 항말라리아 의약품인 artemisinin을 상업화 수준으로 개발하고 있으며, Evolva는 효모를 이용하여 F&F(Flavor & Fragrance)물질로 바닐라향을 내는 원료인 바닐린(vanillin)을 2014년에 제품으로 출시한 바 있다 (그림 2). 그러나, 생산하고자 하는 유용 타겟 화합물을 고농도·고수율로 생산할 수 있는 강력한 세포 공장 개발에 필요한 오랜 시간과 노력, 고가의 비용 때문에 효모에서 수백 개에 달하는 화합물의 생산이 시도되었지만 현재까지 상업화 수준에 이른 것은 일부에 그치고 있다. 합성생물학은 복잡한 바이오 시스템의 예측 가능한 조작을 가능하게 함으로써 실험실 기반의 미생물 세포 공장 기술과 제품 상용화 사이의 격차(죽음의 계곡, valley of death)를 극복할 수 있는 획기적인 연구 분야로 가능성을 인정받고 있다.
합성생물학을 기반으로 강력한 세포 공장을 개발하기 위해서 (1) 타겟 케미컬 생산에 필요한 생합성 대사경로의 발굴 또는 합성 (2) 숙주 세포 내에서 발굴한 생합성 대사경로의 효과적인 재조합 (3) 대사경로를 구성하는 각각의 효소들의 발현(expression)과 활성(activity) 최적화 (4) 전구체(precursor), 보조인자(cofactor), 에너지 등의 효과적인 공급을 위한 숙주 세포의 최적화가 필요하다.

본 논고에서는 효모 특히, 전통효모인 Saccharomyces cerevisiae에서 비천연의 생합성 대사경로(non-native biochemical pathway)를 디자인, 재설계, 최적화하기 위해 합성생물학을 적용한 사례들을 살펴보고자 한다. 즉, 생합성 대사경로를 예측하기 위한 computational tool과 대사경로의 구성 요소인 DNA part를 재조합하고 숙주 세포 내로 도입하기 위한 분자 생물공학적 방법 및 도입된 대사경로를 최적화하기 위한 방법들에 대해 다루고자 한다.