서울--(뉴스와이어)--서울대학교 공과대학은 화학생물공학부 서상우 교수 연구팀이 미생물의 생존을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 합성생물학 기반 생물격리(biocontainment) 기술을 개발했다고 밝혔다. 왼쪽부터 서울대 화학생물공학부 서상우 교수, 조성원 박사, 김태현 박사과정생
생물격리는 유전자변형 미생물이 외부 환경에서 무분별하게 증식하지 못하도록 제어하는 안전 기술이다. 연구진이 제안한 차세대 생물격리 시스템은 향후 바이오 연료·친환경 플라스틱·고부가가치 화학물질을 생산하는 산업용 미생물 공정, 장내 미생물 치료제나 바이오의약품과 같은 생물의약 분야에서 유전자변형 미생물의 안전성을 확보하는 제어 기술로 널리 활용될 전망이다.
이번 연구성과는 유전체 분야 세계 최고 학술지인 ‘Nucleic Acids Research’에 게재됐다. 연구 배경 유전자변형 미생물은 바이오 연료, 친환경 화학소재, 의약품 생산 등 다양한 산업 분야와 생물의약 연구에서 폭넓게 활용되고 있다.
그러나 이러한 미생물이 외부 환경으로 유출될 경우 예상치 못한 생태계 교란이나 인체에 대한 안전성 문제가 발생할 가능성이 있다. 미생물의 생존을 인위적으로 제어하는 생물격리 기술이 중요하게 여겨지는 이유다.
기존의 생물격리 기술은 특정 영양소가 있어야만 생존 가능한 상태로 만드는 영양요구성(auxotrophy) 기반 전략이나 세포를 죽이는 독소 단백질을 활용하는 독소-항독소 시스템, 그리고 DNA를 직접 절단하는 ‘크리스퍼-카스9(CRISPR-Cas9)’ 기반 기술 등을 활용해 왔다. 그러나 이러한 방식들은 환경 조건 변화에 영향을 받기 쉽고, 세포에 강한 스트레스를 유발하거나 예상치 못한 돌연변이를 일으킬 가능성이 있다는 한계가 있었다.
특히 DNA를 직접 절단하는 CRISPR-Cas9 기반 기술은 세포의 유전체 안정성을 저해할 수 있으며, 일부 세포는 돌연변이를 통해 살아남는 문제가 보고되기도 했다. 또한 DNA를 자르지 않고 유전자 기능을 억제하는 CRISPR 간섭(CRISPRi) 기술은 일시적 억제만 가능하기 때문에 세포 생존을 완전히 차단하기 어려웠다. 연구 성과
이 문제의 해결에 나선 서상우 교수 연구팀은 DNA를 직접 절단하지 않고도 특정 유전자의 정보를 정밀하게 바꾸는 ‘CRISPR-dCas9 기반 베이스 에디팅(base editing)’ 기술에 주목했다.
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그리고 세포 생존에 반드시 필요한 유전자의 시작 신호(start codon)를 선택적으로 변형해 해당 유전자가 더 이상 작동하지 않도록 만드는 새로운 전략을 개발하는 성과를 거뒀다. 이는 쉽게 말해 세포가 살아가기 위해 반드시 필요한 기능의 ‘전원 스위치’를 영구적으로 끄는 방식이다. 그 과정에서 DNA를 강제로 절단하지 않기 때문에 기존 CRISPR 기술에 비해 세포 손상과 돌연변이 발생 위험을 크게 줄일 수 있다.
특히 연구팀은 단일 유전자만 제어하는 기존 방식에서 나아가 여러 필수 유전자를 동시에 제어하는 다중 표적(base editing multiplexing) 전략을 구현했다. 이를 통해 일부 세포가 우연히 돌연변이로 살아남는 ‘생존 탈출(escape)’ 현상을 현저히 감소시키는 데 성공했다.
아울러 연구팀은 다양한 필수 유전자에 대한 가이드 RNA(gRNA)*를 설계하고, 유도 시간 및 발현 조건을 조절함으로써 세포 생존율을 정밀하게 제어할 수 있음을 검증했다. 특히 짧은 시간 동안만 시스템을 활성화해도 세포 생존이 비가역적으로 차단된다는 사실을 실험을 통해 입증했다.
생물격리를 유지하기 위해 장시간 지속적으로 유전자를 발현시켜야 했던 기존 시스템에 비해 월등히 높은 효율성과 안전성을 동시에 확보한 것이다. * 가이드 RNA: CRISPR 시스템이 목표 유전자의 정확한 위치를 찾아갈 수 있도록 안내하는 역할을 하는 유전물질. 쉽게 말해 유전자 편집 도구의 ‘위치 안내자’ 역할을 한다.
기대 효과 연구팀은 개발한 이 비가역적 생물격리 시스템은 환경 방출 가능성이 있는 유전자변형 미생물의 안전성 확보에 필요한 기반 기술로 자리매김할 것으로 기대된다.
특히 산업용 미생물 공정 및 생물의약 분야에서 폭넓게 활용될 전망이다. 예를 들어 바이오 연료·친환경 플라스틱·고부가가치 화학물질을 생산하는 공정에서 외부 유출 위험을 줄이는 안전장치로 활용될 수 있다. 또한 인체 내에서 작용하는 장내 미생물 치료제나 차세대 세포 기반 바이오의약품과 같은 생물의약 분야에서도 특정 조건이 갖춰지면 미생물의 생존을 안전하게 종료시키는 제어 기술로 응용될 가능성이 높다.
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따라서 이 생물격리 기술은 산업계에는 보다 안전한 바이오 생산 플랫폼을 제공하고, 사회적으로는 유전자변형 미생물 활용의 안전성에 대한 신뢰도 향상에 기여할 것으로 기대된다. 서상우 교수는 “이번 연구는 베이스 에디팅(base editing)을 활용해 세포 생존을 정밀하고 영구적으로 제어할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다는 점에서 그 의미가 크다”며 “향후 차세대 생물안전 기술로 확장될 가능성이 크다”고 밝혔다.
연구진 진로 논문의 제1저자인 조성원 박사는 서울대 화학공정신기술연구소에서 합성생물학 기반 미생물 제어 기술과 차세대 유전자 교정 시스템 연구를 지속적으로 수행하고 있다.
향후 생물안전 및 바이오 제조 플랫폼 분야 관련 후속 연구를 이어갈 계획이다. 공동 제1저자인 김태현 연구원은 서울대 화학생물공학부에서 박사과정을 밟으며 합성생물학 및 미생물 시스템 공학 분야의 연구를 수행 중이다. 차세대 바이오 플랫폼 개발 연구자로서 관련 분야의 심화 연구를 계속해나갈 예정이다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 합성생물학핵심기술개발사업, 바이오파운드리 기반기술개발사업, 우수신진연구 및 삼성전자의 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다. ※ 참고자료 · 논문명/저널: Multiplexed CRISPR base editing enables pulse-activated irreversible biocontainment of engineered bacteria, Nucleic Acids Research
· 제1저자: 조성원(서울대학교 박사후 연구원), 김태현(서울대학교 박사과정생) · 교신저자: 서상우(서울대학교 화학생물공학부 교수) · DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkag422
웹사이트: https://eng.snu.ac.kr/
※ 본 기사는 뉴스와이어이(가) 배포한 보도자료를 원문 그대로 게재한 것입니다. 원문 링크: https://www.newswire.co.kr/newsRead.php?no=1034401 자료 수집: 뉴스와이어 외 공인 보도자료 채널
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