- 식물 합성생물학 연구에서 가장 많이 활용되고 있는 담배류 식물 ʻ니코티아나 벤타미아나(N. benthamiana)ʼ의 고품질 표준유전체 해독
- 식물 유전체 기반 고부가 소재 개발 연구 가속화 기대

국내 연구진이 고부가 소재 생산에 많이 활용되고 있는 담배류 식물의 표준유전체를 구축하였다.

한국생명공학연구원(원장 김장성) 식물시스템공학연구센터 신아영‧권석윤 박사 연구팀은 차세대 염기서열 분석법(NGS, next generation sequencing)을 이용해 담배류 식물인 ‘니코티아나 벤타미아나(Nicotiana benthamiana, 이하 벤타미아나)’의 고품질 표준유전체를 제작하였다고 밝혔다.

이를 통해 향후 담배를 활용해 식물 백신, 기능성 물질과 같은 고부가 소재 연구 활성화에 기여할 것으로 기대되고 있다.

최근 유전자 재조합 기술이 발달하면서 식물을 단순한 식량 공급수단으로 여기던 기존의 한계를 뛰어넘어 식물과 식물 유전자를 활용해 새로운 물질이나 기능을 생산하는 플랫폼으로써 이용하는 연구가 폭넓게 진행되고 있다.

이런 연구에서 널리 이용되는 식물 중 하나가 ‘벤타미아나’이다. 벤타미아나는 키우기 쉽고 성장이 빠르며, 병원성 박테리아에 대한 반응성이 높아 진단용 시약이나 백신 등을 만드는 데 사용되기도 한다. 

한편, 연구개발에서 유전체 정보를 활용하기 위해서는 해당 생물 종(種)을 대표하는 품종의 유전자 정보인 표준유전체(Reference Genome)가 필요하다. 

표준유전체는 개체 간 차이를 비교할 때 기준이 되는 만큼 정보의 완성도와 정확도가 중요하다.

연구팀은 3세대 염기서열 분석법 중 하나인 나노포어 서열분석법(Oxford Nanopore Sequencing)을 활용해 고품질의 벤타미아나 표준유전체를 완성하였다.

그동안 유럽과 호주를 중심으로 벤타미아나 표준유전체 구축이 추진됐지만 벤타미아나의 복잡한 유전체 구조로 인해 이를 식물 합성생물학 연구에서 활용하기에는 정확성이 낮았다.

연구팀은 유전체 2.76GB(gigabyte, 기가바이트)를 해독하고 총 46,215개의 유전자를 발굴했으며, 표준유전체의 품질 척도인 QV 수치(Quality Value score)에서 49를 달성해 기존 표준유전체의 오류를 월등히 개선하였다.

특히, 나노포어 서열분석법의 경우 식물 핵 DNA를 손상 없이 긴 상태로 추출해야 고품질의 유전체 정보를 생산할 수 있는데, 제1저자인 과학기술연합대학원대학교 한국생명공학연구원 스쿨(UST-KRIBB 스쿨) 고서린 박사과정생은 고순도 고분자량의 식물 핵 DNA 추출하는 방법을 고안해내어 유전체 해독의 정확도를 높였다.

연구책임자인 신아영 박사(UST-KRIBB 스쿨 교수)는 “식물 기반 고부가 소재 생산 연구와 같은 식물 합성생물학 연구에 가장 많이 활용되는 식물인 니코티아나 벤타미아나의 고품질 표준유전체 구축을 통한 식물합성생물학 연구의 기반을 제공할 수 있게 되었다.”라며, 

“향후, 담배 식물의 개량을 통한 식물 합성생물학 기반 유용 단백질 및 물질 생산 증대 연구는 물론 나아가 산업화에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 4월 16일 빅데이터 연구 분야의 세계적인 저널인 Scientific Data(IF 9.8) 온라인 판에 게재되었으며, (논문명 : High-quality chromosome-level genome assembly of Nicotiana benthamiana / 교신저자 : 신아영·권석윤·김용민 박사 / 제1저자 : 고서린·이상희 UST KRIBB 스쿨 박사과정, 구현진 박사) 과기정통부 개인기초연구사업, 교육부 학문보호사업, 한국생명공학연구원 주요사업의 지원으로 수행되었다.

연 구 결 과 개 요

□ 연구배경

○ 식물 합성생물학 연구 분야에서 담배(Nicotiana benthamiana)는 활용도가 높은 식물(Plant Chassis)이다. 바이러스에 대해 높은 감수성으로 인한 감염에 대한 빠른 반응성으로 인해, 병원체의 상호 작용 메커니즘을 연구하는 데에 매우 유용하다. 따라서, 담배는 식물-미생물 상호 작용과 식물 병리학 연구에 중요한 도구로 사용되며, 식물 시스템의 이해를 증진에도 중요한 역할을 한다.

○ 박테리아에 대한 높은 감수성으로 인해, 담배는 일시적  유전자 발현을 위한 플랫폼으로 널리 사용된다. 이러한 특성으로 인해 유전자 기능 연구에서의 담배 활용도가 높아졌으며, 최근 재조합 단백질, 효소, 백신, 항원, 펩티드, 진단/연구 시약 및 단일 항체 생산을 위한 주요 식물 플랫폼으로 발전하였다.

○ 식물 합성생물학 및 기능연구 분야에서의 높은 중요도를 반영하여, 담배 표준유전체 구축을 위한 다양한 연구들이 진행되었다. 하지만, 후속 연구 활용을 위해 필요한 유전체 서열의 정확도가 세계 표준을 충족하지 못해 고품질 표준유전체로의 개선연구가 필요하였다. 이를 위해, 3세대 염기서열 분석기술을 활용하여, 국내 실험실 품종인 N. benthamiana KLAB의 고품질 유전체를 구축 연구를 수행하였다.

□ 연구내용

○ 본 연구팀은 Oxford Nanopore Technology(ONT) PromethION의 long read, Illumina NovaSeq 6000을 활용한 short read 및 Hi-C 데이터를 활용하여 KLAB 품종의 고품질 표준유전체를 구축하였음.

○ 표준유전체 구축을 통해, 총 19개 염색체를 갖는 2,76 Gb 크기의 유전체를 조립할 수 있었으며, 유전자 예측 분석을 통해 총 46,215개의 유전자를 탐색할 수 있었다. 

○ 표준유전체의 품질 확인 척도인 QV 값은 49로서 기존 담배 표준유전체인 NbLAB360(QV 33) 및 Niben261(QV 29.5)보다 월등히 개선된 것을 확인할 수 있었다.

□ 연구성과의 의미

○ 고품질 담배 표준유전체 구축을 식물 합성생물학 연구 및 유전자 기능연구 활성화

- 본 연구에 활용된 4배체 담배(Nicotiana benthamiana)는 식물 합성생물학에서 가장 많이 활용되는 식물(Plant Chassis)이며, 대사 경로 설계 및 재설계 연구, 유전자 기능 연구, 및 식물-병원체 상호 작용 등의 다양한 연구 분야에 활용되고 있다. 국내에서 주로 활용되고 있는 4배체 담배 품종인 NbKLAB의 고품질 표준유전체 구축을 통해, 담배를 활용한 다양한 후속 연구에 활용될 수 있는 정확도가 높은 담배 유전체 정보를 제공함으로써, 식물 합성생물학 연구 활성화와 함께 다양한 연구 분야의 활성화에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

연  구  결  과  문  답

이번 성과 뭐가 다른가

합성생물학 분야 연구에서 많이 활용되는 담배(N. benthamiana)의 표준유전체를 기존에 보고된 다른 유전체들과 비교하여 정확도가 월등히 향상된 표준유전체를 구축함

어디에 쓸 수 있나

담배는 재조합 단백질, 효소, 백신 항원, 항균 펩타이드, 진단/연구 시약 및 단일클론 항체를 생산하기 위한 식물 플랫폼으로, 담배를 중심으로 한 기초 및 응용 연구를 위한 기반을 제공함

실용화까지 필요한 시간은

본 연구에서 생산된 고품질 담배 표준유전체는 식물 기반 그린 백신 연구 및 다양한 식물 합성생물학 기반 유용 물질 생산 연구에 활용될 수 있다. 식물 합성생물학 연구가 활발히 진행된다면 조만간 훌륭한 실용화 연구가 보고될 것으로 기대함.

실용화를 위한 과제는

담배가 식물 합성생물학 연구의 기본적인 식물(Plant Chassis)로 활용되고 있으나, 식물 합성생물학은 여전히 시작 단계이며 관련 연구자들이 연구원에 없어 관련 인원의 충원이 필요함.

연구를 시작한 계기는

식물 합성생물학 연구를 위한, 대사 경로 발굴, 설계 및 재설계 연구를 위해서는 담배 식물체의 고품질 표준유전체가 필수적임. 하지만, 국외의 다양한 그룹에서 담배 표준유전체 구축을 시도하였으나, 식물 합성생물학 연구에 활용할 수 있는 수준의 표준유전체가 확보되지 못했음. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 고품질 담배 표준유전체 연구를 시작하였음.

에피소드가 있다면

식물 핵 DNA 추출은 일반적으로 사용하는 Kit를 사용할 경우 비교적 빠르고 쉽게 추출할 수 있지만, ONT PromethION을 활용한 고품질의 염기서열 데이터 확보에는 부적합하였음. 이를 해결하기 위해, 핵 DNA를 최대한 손상 없이 온전한 상태로 추출하는 것이 필요하였으며, 많은 시행착오를 거쳐 안정적으로 우리 연구팀의 핵 DNA 추출 프로토콜을 확립할 수 있었음.

꼭 이루고 싶은 목표는

식물 합성생물학 연구 기법을 활용하여, 담배에서 유용 단백질 또는 물질 생산 연구를 수행하고 있음. 연구 과정에서 의도하지 않은 단백질 분해로 인해 유용 단백질 대량 생산에 어려움을 겪고 있음. 이번 고품질 유전체 구축의 활용을 통해 담배 식물체를 활용한 유용 단백질 생산 최적 수율과 순도를 달성하는 것이 목표임. 

신진연구자를 위한 한마디

본 연구는 생물정보학 기반의 유전체학 연구를 중심으로 수행되었음. 현대 생물학 연구는 다양한 분야와의 협력 및 융합연구가 중요하며, 앞으로 이러한 경향은 더 심해질 것으로 보임. 본인 연구뿐만 아니라, 다른 분야의 연구에 대한 관심과 협력 연구를 원활히 진행할 수 있는 능력도 같이 배양해야 하는 것이 중요함.

그림1. 니코티니아 벤타미아나(Nicotiana benthamiana)
  * 출처 : https://btiscience.org/explore-bti/news/post/release-draft-genome-sequence-nicotiana-benthamiana/

그림2. 니코티니아 벤타미아나 유전체 모식도
(a) 니코티아나 벤타미아나 염색체 구조 비교  (b) 니코티니아 벤타미아나 유전체 모식도 [출처: 한국생명공학연구원]