포스텍, 새로운 유전자 합성 기술 개발…"3개 단백질 제어 성공"

미생물 기반…상용화까지는 시간 걸릴 듯

미생물 기반의 새로운 유전자 합성 기술이 개발됐다. 합성 생물학 분야 맞춤형 세포 치료제 개발이 큰 진전을 이룰 전망이다.

포스텍(POSTECH,포항공과대학교)는 생명과학과 김종민 교수 연구팀(생명과학과 현섭·최승도 석박사통합고정)이 유전자 회로의 정밀성과 집적도를 획기적으로 높일 ‘합성 번역 공역 장치(SynTCE)를 개발하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.

연구는 분자생물학과 생화학 분야 국제 학술지 ‘핵산 연구(Nucleic Acids Research)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

포스텍 연구진. 왼쪽부터 김종민교수,고현섭, 최승도 연구생.

‘합성 생물학’은 자연 시스템을 기반으로 생명체에 새로운 기능을 부여하는 연구 분야다. 이를 통해 설계된 유전자는 질병 치료, 플라스틱 분해 미생물, 바이오 연료 생산 등 다양한 영역에 사용될 수 있다.

특히, 여러 유전자가 모여 하나의 단백질 체계를 생성하는 ‘다중유전자 오페론(polycistronic operon)1)’ 시스템은 제한된 자원으로 효율을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다.

단점은 유전자 간 상호 간섭 현상이다. 단백질 합성 과정서 간섭이 일어나 다중 유전자 조절이 어렵다. 회로 정밀성도 낮다.

연구팀은 이를 해결할 열쇠로 자연적인 유전자 조절 메커니즘인  ‘번역(단백질 만드는 과정) 공역’에 주목했다.

이는 상위 유전자의 번역이 하위 유전자의 번역 효율에 영향을 주는 시스템이다. 다중 유전자 조절이 필요한 오페론에서 자주 발견된다.

연구팀은 ‘SynTCE’를 설계하고, RNA 분자 컴퓨팅 시스템과 성공적으로 통합해 효율적인 유전자 회로를 구현했다.

기존에는 단백질 제조가 한 개 가능했다면, 이 기술은 여러 단백질을 동시에 조절하고, 연결 가능하다. 이번 실험에서는 3개의 단백질 합성이 이루어졌다.

연구팀은 'SynTCE'를 활용해 입력 신호를 하위 유전자로 정확하게 전달하고, 이를 바탕으로 다중 출력 조절 장치와 다중 입력·출력을 처리하는 시스템을 구축했다.

합성 번역 공역 장치의 디자인 및 다중 입력/출력 회로 구현 및 세포 프로그래밍에 관한 모식도.

김종민 교수는 "정교하고 정확한 유전자 회로 설계를 가능하게 하는 중요한 진전”이라며, “맞춤형 세포 치료제, 환경 정화 미생물, 바이오 연료 생산 등 다양한 분야에서 활용될 것"으로 기대했다.

김 교수는 또 "미생물 기반으로 제작돼, 상용화까지는 다소 시간일 걸릴 것"으로 예측했다.