- 공학생물학대학원 이주영 교수팀, 세균·효모가 각각 읽는 DNA 요소 결합…두 미생물에서 녹색 색소 생산량 조절
- 미생물별 유전자 재설계 부담 줄여…생산법을 설계·시험하는 ‘바이오파운드리’에 활용 기대

의약품 원료 등을 만드는 ‘미생물 공장’에는 세균인 대장균과 빵·술 발효에 쓰이는 효모도 활용된다. 두 미생물은 유전자를 읽는 방식이 달라 같은 생산 설계를 옮기기 어려웠다. KAIST 연구진은 양쪽에서 작동하는 유전자 조절 장치를 개발하고, 여러 유전자가 함께 일해야 만들어지는 녹색 색소로 그 성능을 시험했다. 원하는 물질을 생산하기에 적합한 미생물을 선별하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

KAIST(총장 배충식)는 공학생물학대학원 이주영 교수 연구팀이 서로 다른 종류의 미생물인 대장균과 효모에서 모두 작동하는 유전자 조절 장치 ‘하이브리드 프로모터’를 개발했다고 28일 밝혔다

미생물이 원하는 물질을 만들려면 생산에 필요한 유전자들이 작동해야 한다. 프로모터는 유전자 앞에 놓여 그 유전자가 얼마나 활발하게 작동할지 조절하는 DNA 부분이다. 공장 기계의 속도를 조절하는 손잡이와 비슷하다.

문제는 대장균과 효모가 유전자를 읽는 방식이 다르다는 점이다. 대장균에서 잘 작동하는 프로모터가 효모에서는 작동하지 않을 수 있다. 따라서 같은 물질을 다른 미생물로 만들어 보려면, 그 미생물에 맞는 프로모터를 고르고 유전자의 작동 세기를 다시 맞춰야 했다.

연구팀이 개발한 ‘하이브리드 프로모터’는 대장균과 효모가 각각 알아볼 수 있는 DNA 요소를 한데 합친 것이다. 두 미생물이 서로 다른 방식으로 유전자를 읽더라도, 각자 필요한 신호를 찾을 수 있도록 만든 공용 조절 장치인 셈이다. 연구팀은 DNA 요소의 조합을 바꿔 유전자를 약하게 작동시키는 장치부터 강하게 작동시키는 장치까지 여러 종류를 만들었다.

실험 결과, 개발한 프로모터는 대장균과 효모 모두에서 작동했다. 대장균에서 강하게 작동한 조합은 효모에서도 대체로 강하게 작동했다. 두 미생물이 똑같은 양의 물질을 만든다는 뜻은 아니다. 미생물이 바뀌어도 어떤 조합이 상대적으로 강하고 약한지 가늠할 수 있다는 의미다.

연구팀은 새 장치가 유전자 하나를 작동시키는 데 그치지 않고, 실제 물질 생산에도 쓸 수 있는지 확인하려 했다. 이를 위해 유전자 세 개가 차례로 작동해야 만들어지는 녹색 색소를 시험 대상으로 골랐다. 강한 조절 장치를 썼을 때 색소 생산량은 약한 장치를 썼을 때보다 대장균에서 약 3.1배, 효모에서 약 2.6배 높았다. 두 미생물에서 물질의 생산량까지 조절할 수 있음을 보여준 결과다. 연구팀은 다른 종류의 세균과 효모에서도 프로모터가 작동하는 것을 확인했다.

이 연구가 발전하면 원하는 물질을 만드는 데 어떤 미생물이 적합한지 찾는 과정에 도움이 될 수 있다. 여러 미생물에 같은 유전자 조절 설계를 적용해 생산 결과를 비교할 수 있기 때문이다. 미생물이 바뀔 때마다 조절 장치를 처음부터 다시 설계하는 부담을 줄일 가능성이 있지만, 실제 생산량을 높이려면 각 미생물에 맞춘 추가 조정이 필요하다.

이주영 교수는 “이번 연구는 미생물이 달라져도 프로모터의 상대적인 세기를 예측할 수 있는 공통 설계 원리를 제시했다는 데 의미가 있다”며 “다양한 미생물 세포공장을 보다 빠르게 설계하고 비교해 바이오제조 개발 속도를 높이는 데 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 손소희·문수영·안난영 연구자가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 핵산 연구(Nucleic Acids Research) 9월 23일 자에 게재됐으며, 9월 8일 온라인으로 먼저 공개됐다.
※ 논문명: Modular synthetic cross-kingdom promoters enable coordinated expression in Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 바이오·의료기술개발사업, 개인기초연구사업 및 보스턴코리아 공동연구개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구개요

□ 연구 배경
합성생물학과 대사공학은 미생물의 유전자 발현을 정밀하게 조절하여 의약품, 화학물질, 연료 등 다양한 유용 물질을 생산하는 핵심 기술이다. 미생물을 효율적인 ‘세포 공장’으로 만들기 위해서는 생합성 경로를 구성하는 여러 유전자의 발현량을 적절하게 조절하고, 설계된 대사경로를 다양한 생산 숙주에 안정적으로 적용하는 기술이 필요하다. 프로모터는 유전자 앞부분에 위치하여 유전자 발현의 시작과 세기를 결정하는 핵심 조절 서열이다. 그러나 대장균과 효모는 프로모터 구조와 전사·번역 방식이 근본적으로 달라, 한 미생물에서 작동하는 프로모터가 다른 미생물에서는 제대로 기능하지 않는 경우가 많았다. 대장균은 RNA 중합효소가 인식하는 -10 및 -35 서열을 이용해 전사를 시작하는 반면, 효모는 TATA box를 포함하는 고유한 핵심 프로모터 구조를 이용한다. 단백질 번역 과정에서도 대장균은 샤인-달가노(Shine–Dalgarno) 서열을, 효모는 코작(Kozak) 서열을 이용하는 등 서로 다른 조절 원리를 가진다. 이러한 차이로 인해 동일한 유전자 회로나 생합성 경로를 다른 미생물로 이전할 때마다 숙주에 맞는 프로모터를 새로 선정하고, 각 유전자의 발현량을 다시 조절해야 했다. 따라서 다양한 미생물에서 공통으로 작동하면서도 약한 발현부터 강한 발현까지 상대적 발현 세기를 일관되게 유지할 수 있는 범용적 유전자 조절 시스템의 개발이 필요했다.

□ 연구 내용
본 연구에서는 출아효모의 핵심 프로모터와 대장균 프로모터를 결합하고, 두 미생물의 번역 개시 요소를 함께 배치한 크로스킹덤 하이브리드 프로모터 시스템을 개발했다. 효모 유래 핵심 프로모터 3종과 대장균 유래 프로모터 3종을 체계적으로 조합하여 총 9종의 하이브리드 프로모터를 제작하고, 대장균과 효모에서 약·중·강의 상대적 유전자 발현 세기가 유지됨을 확인했다. 개발된 하이브리드 프로모터를 프로데옥시바이올라세인(PDV) 생합성 경로에 적용하여 대장균과 효모 모두에서 프로모터 세기에 따른 생산량 조절이 가능함을 입증했다. 또한 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)과 피키아 파스토리스(Pichia pastoris)에서도 작동을 확인하여 다양한 미생물 숙주로의 확장 가능성을 제시했다.

□ 기대 효과
생물종을 뛰어넘는 범용성: 본 연구는 세균과 효모의 서로 다른 유전자 발현 체계를 하나의 하이브리드 프로모터에 통합하여, 다양한 미생물에서 활용할 수 있는 새로운 유전자 조절 도구를 제공할 것으로 기대된다. 일관된 정밀 제어: 숙주가 바뀌어도 강·중·약의 발현 세기 비율이 그대로 유지되어, 원하는 양만큼의 유용 물질을 정밀하게 생산하도록 조절할 수 있다. 시간·비용 절감: 숙주가 변경될 때마다 프로모터를 다시 선정하고 유전자 발현량을 반복적으로 조절해야 하는 과정을 줄여, 생합성 경로의 숙주 간 이전과 최적 생산 미생물 선별을 효율화할 수 있다. 산업적 파급 효과: 다양한 미생물에서 동일한 유전자 회로와 대사경로를 병렬로 평가할 수 있어, 의약품·화학물질·바이오 소재 생산을 위한 다중 숙주 대사공학과 자동화된 바이오파운드리 플랫폼 구축에 활용될 것으로 기대된다.

용어 설명
- 프로모터 (Promoter) : 유전자 앞에 위치하여 해당 유전자의 발현이 시작되도록 하는 DNA 서열이다. 프로모터의 종류와 세기에 따라 만들어지는 RNA와 단백질의 양이 달라진다.
- 크로스킹덤 (Cross-kingdom) : 세균과 효모처럼 서로 다른 생물학적 분류군에 걸쳐 기능한다는 의미다. 본 연구에서는 대장균과 효모에서 모두 작동하는 유전자 발현 시스템을 의미한다.
- 하이브리드 프로모터 (Hybrid promoter) : 서로 다른 생물에서 유래한 유전자 조절 요소를 하나의 DNA 서열로 결합한 프로모터다. 본 연구에서는 대장균과 효모의 전사·번역 요소를 함께 배치했다.
- 전사와 번역 (Transcription and translation) : 전사는 DNA의 유전정보를 RNA로 복사하는 과정이며, 번역은 RNA의 정보를 바탕으로 단백질을 만드는 과정이다.
- 샤인-달가노 서열 (Shine–Dalgarno sequence) : 대장균과 같은 세균에서 리보솜이 RNA에 결합하여 단백질 합성을 시작하도록 돕는 서열이다.
- 코작 서열 (Kozak sequence) : 효모를 포함한 진핵생물에서 리보솜이 단백질 합성 시작 위치를 효율적으로 인식하도록 돕는 서열이다.
- 프로데옥시바이올라세인 (Prodeoxyviolacein, PDV) : 아미노산인 트립토판으로부터 VioA, VioB, VioE 효소의 연속적인 반응을 통해 만들어지는 녹색 계열의 색소다. 본 연구에서는 하이브리드 프로모터의 물질 생산 조절 성능을 검증하기 위한 모델 물질로 사용됐다.
- 대사공학 (Metabolic engineering) : 미생물의 유전자와 대사경로를 조절하여 의약품, 화학물질, 연료 등 원하는 물질을 효율적으로 생산하도록 만드는 기술이다.
- 바이오파운드리 (Biofoundry) : 생물학적 시스템의 설계·제작·시험·학습 과정을 자동화하여 유전자 회로와 미생물 균주를 빠르게 개발하는 연구·생산 플랫폼이다.

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
대사경로를 다른 미생물로 옮길 때마다 숙주에 맞는 프로모터를 새로 선정하고 유전자 발현량을 다시 조절해야 하는 점에 주목했습니다. 하나의 유전자 발현 시스템을 여러 미생물에서 공통으로 활용할 수 있다면 균주 개발 과정을 크게 단축할 수 있을 것이라는 생각에서 연구를 시작했습니다.

□ 이번 연구성과의 핵심은 무엇인가?
대장균과 효모처럼 유전자 발현 방식이 다른 미생물에서도 공통으로 작동하는 크로스킹덤 하이브리드 프로모터를 개발한 것입니다. 미생물이 달라져도 약·중·강의 상대적 발현 세기 순서가 유지된다는 점이 핵심입니다. 이를 통해 하나의 유전자 설계를 여러 미생물에 동시에 적용하고 비교할 수 있는 범용 유전자 조절 플랫폼의 가능성을 제시했습니다.

□ 기존 연구·기술과 비교했을 때 차별점은?
기존에는 미생물 숙주가 달라지면 각 생물에 맞는 프로모터를 새롭게 선정하고 유전자 발현량을 다시 최적화해야 했습니다. 이번 연구는 하나의 하이브리드 프로모터가 세균과 효모에서 모두 작동할 뿐 아니라, 프로모터 간 상대적인 발현 세기까지 일관되게 유지된다는 점에서 차별성이 있습니다. 즉, 서로 다른 미생물에 공통으로 적용할 수 있는 표준화된 유전자 조절 부품의 가능성을 제시했습니다.

□ 이번 연구에서 가장 중요한 발견은 무엇인가?
가장 중요한 발견은 하나의 하이브리드 프로모터 안에서 대장균과 효모가 각자 자신에게 필요한 조절 요소를 선택적으로 인식하도록 하는 설계 원리를 규명하고 구현했다는 점입니다. 이를 통해 서로 다른 생물에서도 예측 가능하게 작동하는 공통 유전자 조절 원리가 존재할 수 있음을 보여줬습니다.

□ 연구 과정에서 가장 어려웠던 점은?
대장균과 효모의 서로 다른 전사·번역 요소를 결합하면서 두 미생물에서 모두 기능하도록 서열의 구성과 배치를 정하는 것이 가장 어려웠습니다. 각 생물이 인식하는 전사·번역 요소가 서로 간섭하지 않으면서도 독립적으로 기능하도록 조합하고, 발현 세기까지 일관되게 유지되는 구조를 찾기 위해 다양한 설계와 검증이 필요했습니다.

□ 응용 가능 분야는?
의약품, 바이오 화학물질, 색소, 연료, 식품 원료 등 다양한 물질을 생산하는 미생물 세포공장 개발에 활용할 수 있습니다. 특히 여러 미생물에 동일한 유전자 설계를 적용하고 성능을 빠르게 비교할 수 있어, 바이오파운드리 기반 자동화·고속 설계에 유용합니다. 향후에는 다양한 숙주에 공통으로 적용할 수 있는 표준화된 합성생물학 부품으로 발전할 가능성이 있습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? (실용화 계획 포함)
하나의 유전자 설계를 여러 미생물에 적용한 뒤, 물질 생산에 가장 적합한 숙주를 빠르게 선별하는 데 활용할 수 있습니다. 향후 프로모터의 발현 범위와 적용 숙주를 확대하고, 자동화된 균주 제작·평가 시스템과 연계하여 고도화할 계획입니다.

□ 기대효과와 향후 계획은?
숙주를 바꿀 때마다 유전자 발현 시스템을 처음부터 다시 설계해야 하는 부담을 줄여 균주(미생물 세포공장)와 바이오파운드리 개발 속도와 효율을 높일 수 있을 것으로 기대합니다. 앞으로 다양한 미생물과 생합성 경로에서 성능을 검증하고, 숙주별 조절 요소를 추가해 활용 범위를 확대할 계획입니다.