항생제 사용을 줄이는 세포선별 시스템 개발
- 항생제 없이도 유전자재조합 플라스미드를 선별하는 시스템 개발
- 바이오제품 생산 시 항생제 사용문제 해결 기여 기대
□ 국내 연구진이 바이오산업에서 항생제 사용문제 해결에 도움을 줄 수 있는 기술을 개발하였다.
□ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 합성생물학연구센터 이대희 박사 연구팀은 항생제 없이도 바이오제조 공정에 사용할 유전자재조합 세포를 고감도로 선별하는 시스템 개발에 성공하였다고 밝혔다.
ㅇ 이를 통해 바이오의약품, 바이오연료 등 바이오 제품 제조공정의 안전성을 높이고, 생산단가를 낮추는데 이바지할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
□ 바이오산업의 성장을 이끈 기술 중 하나가 바로 유전자재조합 기술이다.
ㅇ 유전자재조합 기술이란 특정 유전자의 배열 순서를 바꾸거나 다른 유전자와의 조합을 통해 만들어진 새로운 유전자를 플라스미드(plasmid)라는 DNA 운반체에 싣고, 이를 적절한 숙주 세포에 넣어 유용한 물질을 대량생산하는 기술을 말한다.
ㅇ 유전자재조합 기술을 이용하여 최초의 바이오의약품인 인슐린을 대장균에서 만들 수 있었고, 현재도 바이오화합물, 효소, 단백질의약품, DNA 백신 등 다양한 바이오 원료들을 생산하는데 널리 활용되고 있다.
□ 유전자재조합 기술을 이용한 바이오제품 대량생산 제조공정을 개발하기 위해서는 숙주 세포 안에서 안정적으로 살아남을 플라스미드를 선별하는 것이 중요한데, 가장 널리 사용되는 것이 항생제 선별법이다.
ㅇ 숙주 세포에 항생제를 처리하였을 때, 항생제에 저항해 살아남는 세포를 선별하는 것이다. 하지만 항생제 선별법은 항생제 저항성 돌연변이 발생과 이로 인한 알레르기 반응 유발, 제조단가 상승 등의 문제가 있다.
ㅇ 이에 대안으로 영양요구성 균주를 이용한 방법이 있지만, 균주제작이 어렵고 선별 능력이 떨어지며, 특히 선별에 이용할 수 있는 유전자 수가 제한적인 한계가 있다.
□ 특히, DNA 백신과 같은 바이오의약품의 경우 플라스미드의 크기가 작을수록 인체 내 전달 효율이 높고, 항원 발현량이 많아 작은 크기의 플라스미드를 선별할 수 있는 플랫폼 개발이 요구되고 있다.
□ 이에 연구팀은 합성생물학을 기반으로 지능형 유전자회로를 만들어 플라스미드가 있는 세포만 선별하는 시스템을 개발하였다.
ㅇ NOT 논리회로와 특정 유전자의 발현을 억제하는 크리스퍼 유전자가위 간섭 기술(CRISPRi)을 결합하고 이를 연속적으로 사용하여 플라스미드가 있는 경우 유전자가위에 의한 간섭이 발생하지 않아 세포가 생존하며 선별되는 원리다.
ㅇ 개발된 시스템은 여러 개의 플라스미드를 동시에 선별할 수 있도록 확장도 가능하며, 플라스미드 선별 마커로 항생제 내성 유전자가 아닌 160bp(염기쌍) 정도의 매우 작은 가이드 RNA를 사용하여 플라스미드의 크기를 줄일 수 있어 DNA 백신 개발에 활용될 수 있다.
□ 연구팀은 화장품 원료로 주로 사용되는 식물 유래 성분인 비사볼올(bisabolol)을 대상으로 한 실험에서 항생제를 이용한 경우보다 선별된 플라스미드의 선별 효율이 높고 비사볼올 생산량 또한 많음을 확인하였다.
□ 연구책임자인 이대희 박사는 “플라스미드 유지 및 재조합 미생물 선별에 오랫동안 사용된 항생제는 내성 세균과 같은 위험이 함께 있었다.”라며,
ㅇ “이번에 개발한 기술은 이러한 문제를 합성생물학 기술을 이용해 해결한 것으로 앞으로 무항생제 바이오제조 공정에 적용하면 연관 산업에서 다양하게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
□ 공동 연구책임자인 이승구 박사는 “소프트웨어로 전자장치를 구동하는 것처럼 인공 유전자 회로는 세포에 다양한 논리적 기능을 부여할 수 있는 것을 보여준 이번 연구는 합성생물학 기술의 무한한 활용성을 보여주는 좋은 사례”라고 말했다.
□ 이번 연구는 2022년 12월 13일 합성생물학 분야의 세계적인 저널인 Nucleic Acids Research(IF 19.160) 온라인 판에 게재되었으며,
(논문명 : CRISPRi-based programmable logic inverter cascade for antibiotic-free selection and maintenance of multiple plasmids / 교신저자 : 이대희·이승구 박사 / 제1저자 : 김성근·김하성 박사 )
ㅇ 과기정통부 바이오·의료기술개발사업과 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.
