유전자가 최소화된 대장균의 독특한 생장원리 규명

한국과학기술원 조병관 교수

Choe D, Lee JH, Yoo M, Hwang S, Sung BH, Cho S, Palsson B, Kim SC & Cho B-K (2019). Adaptive laboratory evolution of a genome-reduced Escherichia coli. Nature Communications 2019 February DOI: 10.1038/s41467-019-08888-6

유전 공학의 발달로, 전자회로를 설계-제작하듯이 세포도 설계 및 합성하는 합성생물학 기술이 등장하였다. 합성생물학을 통해 구축한 유전자 회로 및 합성 세포는 바이오연료나 유용 생리 활성 물질의 생산을 가능케 하였다.

최소유전체란 생명 현상을 유지하기 위해 반드시 필요한 최소한의 유전자 이외에 불필요한 유전자를 모두 제거한 유전체를 말하는데, 불필요한 유전자의 전사, 번역 및 이로 인해 낭비되는 대사 에너지가 없기 때문에 매우 효율적인 유전체이다.

최소유전체를 구축하기 위해서는 생명현상에 필수적인 유전자 집합을 알아내는 것이 중요하지만, 이를 알더라도 정상적으로 작동하는 최소유전체를 구축하기 위해서는 수백 가지 유전자간의 복잡한 상호작용을 규명해야한다. 하지만 최소유전체 미생물의 유전자 발현이 어떻게 조절되며 유기적으로 상호작용 하는지는 연구가 미비하였다. 이 때문에 기존에 구축된 최소유전체 미생물들은 성장 속도가 느리거나, 유전자 회로 구축이 어려운 등의 문제점들을 가지고 있었다.

연구진은 이를 해결하기 위해 최소유전체 미생물의 성장 속도를 회복하려 하였고, 다중오믹스* 분석 기술을 기반으로 최소유전체에 대한 보다 정밀한 분석을 진행하고자 하였다. 마지막으로 분석한 정보를 바탕으로 최소유전체가 여러 유용 물질 생산의 골격이 될 수 있는지 검증하기 위하여 연구를 진행하였다.

* 다중오믹스 (Multiomics) : 세포에 있는 유전체, 전사체, 단백체, 대사체, 상호작용체 등의 오믹스(-체)를 유기적으로

                                          연결시켜 동시에 분석하는 것

2. 연구내용

□ 실험실 적응진화 기술을 이용한 최소유전체 성장 속도 회복

- 자연계에서 수십~수백만 년에 걸쳐 진행되는 진화 과정을 실험실에서 재현·가속화한 적응진화기법을 통해 최소유전체

    대장균의 성장속도를 획기적으로 증가시켰다 (적응진화 전후 대비 180% 증가. 그림 1).

□ 적응진화 최소유전체의 돌연변이 분석

- 유전체 분석을 통해, 적응진화 과정에서 발생한 118개의 돌연변이를 발견하였고, 돌연변이를 개별적으로 재현·검증하여

  성장 속도를 증대시키는 원인 유전자를 규명하였다 (그림 2).

- 적응진화 최소유전체는 DNA의 유전자 정보를 mRNA로 전사하는 RNA 중합효소의 돌연변이로 인하여 세포 내의 전체적

   인 유전자 발현이 재구축(reprogramming)되었으며 최소유전체의 대사 경로와 유전자 발현은 일반적인 미생물과 상당

   히 다르다는 것을 규명하였다.

- 기존의 최소유전체에는 일반적인 미생물의 조작 원리를 적용하였기 때문에 성장이 저해되었는데, 재구축된 당대사 및

   필수 아미노산 대사 경로의 분석을 통해 최소유전체에 맞게 최적화된 새로운 대사 원리를 제시하였다 (그림 3A).

□ 적응진화 최소유전체의 전사체 분석 및 유용 화학물질 합성

- 최소유전체의 전사체 분석 결과, 당대사 과정에서 대부분의 생명체가 주로 사용하는 경로가 아닌 대사 경로를 더 많이

   이용함으로써, 타 대장균보다 4.5배 높은 환원력을 얻는 것을 발견하였다 (그림 3B). 높은 환원력을 가진 최소유전체 대

   장균을 바탕으로 뛰어난 항산화 효과와 항암효과를 가진 유용 물질인 리코펜 및 비올라세인의 생산량을 일반 대장균 대

   비 80% 증가시켰다 (그림 3C와 3D).

□ 적응진화 최소유전체의 번역체 분석 및 외래 단백질 생산

- 번역체 해독 결과, 최소유전체에서는 현재까지 밝혀진 모든 미생물에서 존재하는 번역 완충 현상이 발생하지 않음을 확

  인하였다 (그림 4A와 4B). 일반적으로 인슐린 등의 단백질 의약품을 생산하려고 할 때, 원하는 유전자를 고발현하더라도

  번역 완충 현상에 의해 일정 수준 이상의 단백질을 생산할 수 없었지만, 최소유전체 대장균은 번역 완충 현상이 없기 때

  문에 단백질 생산량이 일반 대장균에 비해 200% 증대되었다 (그림 4C).

3. 기대효과

이번 연구를 통하여 최소유전체의 문제점을 적응진화를 통해 해결하였고, 다중 오믹스 분석을 통해 다각도로 분석하여 최소유전체에 맞는 대사 원리를 발견하였다. 또한, 최소유전체의 높은 환원력, 낮은 번역 완충 등을 활용하여 일반 대장균보다 월등히 높은 유용물질 및 단백질 생산 능력을 검증하였다. 이를 통해 대사공학의 새로운 패러다임을 제시하고, 향후 미생물 기반 유용 물질 생산 및 바이오 화합물 생산 산업에 큰 기여를 할 것으로 기대한다.

참고문헌

1. Choe D, Cho S, Kim SC & Cho B-K (2016). Minimal genome: Worthwhile or worthless efforts toward being smaller? Biotechnol. J. 11(2): 199-211.
2. Sung BH, Choe D, Kim SC & Cho B-K (2016). Construction of a minimal genome as a chassis for synthetic biology. Essays in Biochem. 60:337-346.