단백질은 신약, 진단기술, 바이오소재 등 다양한 산업 전반에서 핵심 재료로 사용된다. 이러한 단백질은 전통적으로 살아있는 세포를 배양하여 생산되었지만, 최근에는 세포를 사용하지 않고 시험관 내에서 생산하는 무세포 단백질 합성 기술이 대두되었다. 이 기술은 시험관 내에서 단백질을 합성할 수 있는 모든 생화학 분자를 포함하도록 설계하여, 원하는 단백질의 설계도인 DNA 주형만 첨가하는 방식으로, 단백질을 빠르고 간편하게 생산하는 기술이다. 이러한 무세포 시스템은 현재까지 의약품, 효소, 진단, 분자 센서 등 합성생물학의 핵심 원리 개발 연구에 널리 사용된다.
최근 정부의 합성생물학 육성 정책에 따라 주목받고 있는 바이오파운드리는 자동화 시스템 기반의 운영체계에서 한꺼번에 많은 단백질 후보들을 선별하는 핵심 장비이다. 이는 항체, 펩타이드와 같은 단백질 의약품 또는 효소의 발굴에 핵심적인 역할을 한다. 지난 몇 해간 선진국은 물론 대한민국 또한 정부의 지원의 힘입어 바이오파운드리 기초 시설을 구축하고 자동화 시스템을 구현하는데 성공하였다. 하지만, 이러한 시설은 장비만 있다고 운영되는 것이 아니라, 그 내부를 채워 여러 개의 단백질을 한꺼번에 합성할 수 있는 바이오소재, 즉 무세포 시스템이 반드시 필요하다. 만약 무세포 시스템이 비싼 가격에 판매된다면, 수많은 단백질 후보를 한꺼번에 설계, 생산, 분석하는 바이오파운드리의 활용에 걸림돌이 된다. 예를 들어, 1종의 단백질 생산비용을 100원으로 가정한다면, 하나의 단백질을 선별하고 발굴하는데 천억원 수준의 천문학적인 개발비용이 소요된다.
본 연구팀은 시장에 존재하는 재구성 무세포 시스템과 가격 경쟁력을 갖춘 재구성 무세포 시스템을 개발하기 위해 시스템을 구성하는 공정과 효율을 향상시켰다. 이를 위해, 필수 전사 및 번역 효소를 각각 시험관에서 생산하고, 이 과정에서 자동화 장비를 적용하였다. 기존 전통적인 방식은 각 구성 요소를 살아 있는 세포 내에서 발현하기 때문에 세포를 배양하고, 그 안에서 단백질을 발현하는데 시간이 오래 소요된다. 또한, 실험자의 숙련도에 따라 결과가 변할 수도 있다는 단점이 존재한다. 이를 해결하기 위해, 본 연구팀은 대장균 세포 추출물을 활용하여 자동화 장비에 적합하게 시험관 내에서 전사 및 번역 효소를 발현할 수 있도록 공정을 단순화하였다. 이를 통해, 완성된 시스템을 준비하는 기간을 4일에서 2일로 줄였다.
해당 시스템은 시간 절감뿐만 아니라 시장에 출시된 상용 시스템에 비해 95% 낮은 제작 비용을 보인다. 다양한 단백질을 한꺼번에 생산하고 선별해야하는 바이오파운드리의 활용에 최적화된 시스템이라고 할 수 있다. 또한, 제작 과정에서 발생하는 인적 오류를 제거한 덕분에, 최종 생산품의 단백질 합성 성능 또한 5배로 향상되었으며, 생산 제품 간 그 성능이 균일한 것을 확인하였다. 특히, 해당 시스템은 필요한 구성 요소를 선택적으로 넣고 뺄 수 있는 모듈형 구조가 강점이다. 이와 같은 강점을 활용해 자연계 단백질에 포함되지 않는 비천연 아미노산을 단백질 내 원하는 위치에 도입하는데 성공하였다. 이러한 원리는 항체-약물 접합체 등 고부가가치 바이오 제조 분야에 활용될 수 있으며, 바이오파운드리 장비에 도입하여 수많은 효소를 빠르게 제작하고 평가하는 합성생물학 기반 기술로 활용될 것으로 기대된다.