식품생명공학과 우한민 교수, ‘RNA 유전자 가위’로 미생물 세포공장 개발 가속화

- 박테리아 크리스퍼 RNA 간섭기술 개발로 합성생물학 원천기술 개발 확보

- 의료, 식품, 고부가 소재 생산 분야에 적용할 수 있는 세포공장

▲ 식품생명공학과 우한민 교수(왼쪽, 교신저자)와 고숭천 박사(오른쪽, 제1저자)

식품생명공학과 우한민 교수 연구팀은 dead Cas13a RNA 유전자 가위로 박테리아에서 존재하지 않는 RNA 간섭시스템*을 개발했고, 자동화 바이오파운드리기술**을 적용하여 효율적인 세포공장을 개발했다고 29일 밝혔다.

* RNA 간섭시스템(RNA interference): small RNA 및 messenger RNA등 RNA의 원래 기능을 제한할 수 있는 시스템으로, 다양한 유전자의 조절에 관여

** 바이오파운드리: 주문자 반도체 생산시스템과 유사하게, 생물시스템을 디자인하고 자동화 장비를 활용하여 고속으로 합성생물학 부품 및 세포공장을 개발할 수 있는 바이오제조 핵심 자동화 시설(예: 성균관대 바이오파운드리).

세포공장은 지속가능한 바이오 연료, 의·약학 및 식품 소재, 화학 소재를 생산할 수 있는 산업용 박테리아로, 다양한 합성생물학 도구를 활용하여 유전자 발현을 조절하고, 대사흐름을 제어하여 세포공장의 소재 생산성을 극대화할 수 있다.

▲ RNA 유전자 가위를 이용한 박테리아 RNA 개발과 세포공장 개발 가속화

이번 연구는 RNA를 자르는 효소적 기능만 상실된 dead Cas13a(dCas13a) RNA 유전자 가위를 이용하여, 박테리아 세포 내 존재하는 다양한 small RNA*의 발현을 억제하는 기술을 개발하였다. 이를 통해 기존의 기술로 제어할 수 없었던 박테리아 내 ‘트랜스-스몰 RNA’와 ‘시스-스몰 RNA’를 제어할 수 있는 원천기술을 획득하였다. 이 기술은 고등 생물에 존재하는 RNA 간섭기술과 유사한 기술로 박테리아에서도 고도의 유전자 발현을 제어할 수 있음을 의미한다.

* small RNA: non-coding RNA로 세포 내 다양한 환경에서 특정 유전자의 발현을 조절하는 핵심적 기능을 갖고 있는 200bp 이하의 짧은 RNA이다.

또한, 모듈러 루프 가이드 RNA를 추가로 개발하여, 타겟 RNA 발현을 66%에서 92%까지 다양하게 억제할 수 있는 기술을 확보하였으며, 이 응용 기술을 활용하여 박테리아에 많이 존재하는 폴리시스트로닉 유전자의 발현에 적용하였다. 그 결과, 기존 CRISPRi 유전자 저해 기술로 가능할 수 없었던 폴리시스트로닉 개별 유전자의 억제도 가능하게 되어, 세포공장을 효과적으로 개발할 수 있는 원천기술을 제공하게 되었다.

더 나아가 이번 RNA 유전자 가위의 박테리아 RNA 간섭기술을 활용하여, 항산화제로 사용될 수 있는 라이코펜 생산 세포공장 개발에 적용하였으며, 바이오파운드리기술을 활용하여 알려진 93개의 대장균의 sRNA를 로봇으로 제작하고, 그 라이브러리 중 라이코펜의 생산성을 향상할 수 있는 신규 타겟 sRNA를 스크리닝할 수 있게 되었다. 따라서 대사반응에 직접 관여하는 효소 유전자의 발현 조절만 개발하던 기존 대사공학 접근법을 넘어서, 타겟 sRNA를 통한 하위 유전자의 발현을 조절하는 새로운 대사공학 접근법을 제시할 수 있었다.

이번 연구를 통하여 박테리아 RNA 간섭 기술과 함께 바이오제조의 핵심 기술인 바이오파운드리기술로 대규모 가이드 RNA를 제작하고, 세포공장용 박테리아를 형질 전환하고, 타겟 물질을 스크리닝 하여 일련의 DBTL* 과정을 자동화하여 세포공장 개발의 가속화 할 것으로 기대된다.

* DBTL: 합성생물학의 연구 철학인 Design-Build-Test-Learn Cycle을 의미한다.

우한민 교수(바이오파운드리연구센터장)는 “이번 박테리아 RNA 간섭 원천기술과 바이오파운드리기술을 확보한 만큼 첨단 합성생물학기술을 통한 다양한 난제를 해결하고 새로운 의료 및 식품 분야, 고부가 소재 생산 분야에 적용할 수 있는 세포공장 개발에 앞서겠다.”고 설명했다.

한편 이 연구결과는 11월 28일(화) 세계적 학술지인 ‘Nucleic Acids Research’를 통해 온라인판으로 공개됐다. 이번 연구성과는 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원, 기초연구실지원사업, 미생물 제어 및 응용 원천기술개발사업 및 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 과제의 지원을 받아 수행되었다. 해당 원천기술은 국내 특허 등록이 2022년 완료되었다(특허등록번호 10-2422842).

※ 저널: Nucleic Acids Research (2023), Impact factor 14.9 (2022년 기준), JCR 생화학 및 분자생물학 분야 상위 3.3% 저널

※ 논문제목: CRISPR-dCas13a system for programmable small RNAs and polycistronic mRNA repression in bacteria

※ DOI: 10.1093/nar/gkad1130