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저희 실험실은 크게 아세토젠, 방선균, 인공유전체 분야로 나뉘어 연구를 진행하고 있습니다.
1. 아세토젠: C1 바이오리파이너리
(1) 연구배경 및 취지
화석연료의 감소와 환경문제의 심각성에 따라, 2015년 유엔 기후 변화 회의에서는 지구 평균 온도 상승폭을 산업화 이전 2℃ 이하로 유지하기 위하여 온실가스를 줄이기 위한 국제법이 제정되었습니다. 본 연구팀은 이러한 문제를 획기적으로 해결하기 위해, 바이오매스 연소과정이나 제철소 등에서 발생되는 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)로 이루어진 합성가스(Syngas or Synthesis Gas, 혹은 탄소 1개로 이루진 가스로 C1가스로 칭함)를 효과적으로 고정하여 고부가물질을 합성할 수 있는 미생물 세포공장을 개발하고 있습니다.
(2) 연구내용 및 요약
본 연구팀은 C1가스 고정 및 바이오 화합물 생산을 위하여 우선 아세토젠 미생물의 유전체를 대량해독 하여 관련된 핵심 생체회로를 파악하고 있습니다. 더 나아가, 해당미생물의 메타스트럭쳐(유전자 암호화 영역, 전사시작점 및 종결점, 전사체 발현, 단백질 번역 등)를 밝히고, 이를 바탕으로 가상의 세포 모델을 구현합니다. 가상 세포 모델을 통해 C1가스 고정 생체회로를 예측하고 유전체 엔지니어링을 통하여 C1가스의 대사활용도를 증대 시킬 수 있습니다. 추가적으로 유전체 편집기술을 비롯한 다양한 합성생물학 기술을 도입하여 바이오 화합물을 생산할 수 있는 생체회로를 재구축하고 있습니다. 그 결과, C1가스로부터 기존에는 생산하지 못했던 바이오 화합물을 생산할 수 있는 미생물 세포 공장을 구축할 수 있었습니다.
(3) 기대효과 및 목표, 비전
아세토젠 미생물 기반의 바이오 시스템을 다양한 종류 및 농도의 C1가스에 적용시키는 연구와 여러 종류의 고부가 물질을 생산할 수 있도록 테스트하고 있습니다. 예를 들어, 본 기술은 현재 150 메가톤의 CO2 (전체 발생 CO2의 6%)만이 미생물 기반의 바이오 시스템을 통해서 재활용되고 있는 것을 최대 약 65% 이상의 제철소에 적용 가능할 것으로 예측되고, 이는 굉장히 많은 양의 CO2를 다른 바이오 화합물로 전환할 수 있는 가능성을 시사합니다. 현재 제철소에서 발생되는 C1가스를 모두 에탄올을 합성한다고 생각했을 때, 약 300억 갤런의 에탄올 (전체 에탄올 시장의 19%)을 제공할 수 있습니다. 따라서 이러한 바이오 시스템은 대기중 CO2 농도를 저감 시킴과 동시에 고부가물질을 합성할 수 있습니다.
(4) 관련 연구 과제들의 목표 내용 및 진행상황
본 연구팀은 다중오믹스 분석을 통해 C1가스 고정 미생물이 전사단계 뿐만 아니라 번역단계에서 조절이 되는 것을 규명하였고, 이를 프로모터 및 RBS를 모듈화 하여 최적화하는 시스템을 개발하였습니다. 또한, 가상 세포 모델을 사용하여 에너지 분포도 및 대사흐름 최적화된 환경을 계산하였고, 이를 통해 신규 C1가스 고정 대사회로를 규명하였습니다. 본 대사회로는 자연계에 존재하는 7번째 CO2 가스 고정 대사경로이며, 기존에 문제라고 지적 받아왔던 CO2 고정 미생물의 성장 속도를 약 2배 이상 증대하였습니다. 이에 더불어 유전체 편집 기술 (CRISPR/Cas) 개발 및 적용에 성공하여 C1가스 활용을 통해 고부가가치 물질을 생산할 수 있는 균주를 구축하고 있습니다. 최근에는 나노소재를 아세토젠 미생물 표면에 부착하여 C1가스 고정효율을 극대화하는 기술을 개발하였습니다. 본 연구는 과학기술정보통신부 C1가스리파이너리 사업단의 전폭적인 지원으로 수행되고 있습니다.
(5) 대표 성과
Song, et al. (2020) Functional cooperation of the glycine synthase-reductase and Wood-Ljungdahl pathways for autotrophic growth of Clostridium drakei, PNAS, 117(13): 7516-7523.
Shin, et al., (2019) Genome Engineering of Eubacterium limosum Using Expanded Genetic Tools and the CRISPR-Cas9 System, ACS Synthetic Biology, 8(9):2059-2068.
Jin, et al. (2021) Acetogenic bacteria utilize light-driven electrons as an energy source for autotrophic growth, PNAS, 118(9): e2020552118.
2. 방선균: 이차대사 산물 생산 플랫폼
(1) 연구배경 및 취지
최근 들어 시중에 판매되는 모든 항생제에 대한 내성을 가지는 수퍼박테리아가 급증하여 문제가 되고 있어 이를 해결하기 위해 신규 항생제 개발의 필요성이 대두되고 있습니다. 토양 미생물인 방선균은 전 세계 항생제의 70% 이상을 생산하는 대표적인 산업 미생물이며, 신규 항생제 후보 물질을 발굴하는데 있어 가장 풍부한 가능성을 가지는 자원으로 여겨지고 있습니다. 방선균은 한 종당 대략 30여 가지의 이차대사산물들을 생산할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 각 이차대사산물들은 항암, 항생, 항진균, 살충 등 다양한 기능을 가지고 있습니다. 하지만 이차대사산물은 방선균 생존에 필수적인 물질이 아니기 때문에 방선균은 복잡한 유전자 발현 조절 네트워크로 이차대사산물 생산을 조절하며, 실험실 환경에서는 대부분의 이차대사산물들의 생산 유전자들이 발현되지 않습니다. 이로 인해 아직까지 구조나 효과가 밝혀지지 않은 이차대사산물들이 많으며, 방선균을 이용한 효율적인 신규 항생제 개발 및 생산을 제한하고 있습니다. 따라서 본 연구팀은 다양한 시스템 생물학 기술들을 이용하여 방선균의 이차대사산물 생산 조절 기작을 이해하고, 습득한 지식을 바탕으로 합성생물학 방법으로 리프로그래밍하여 기존 항생제 생산 양을 올리거나, 새로운이차대사 산물 생산을 유도하여 신규 항생제 후보 물질을 확보하고 있습니다.
(2) 연구내용 및 요약
방선균의 복잡한 이차 대사 경로 조절을 이해하여 항생제, 항암제 등을 비롯한 유용 이차대사산물을 고생산 및 발굴하기 위해, 본 연구실에서는 다양한 방선균의 고품질 유전체 서열을 완성시켰고, 방선균 생장 단계에 따른 전사체, 번역체, 전사 시작점 및 종결점 정보를 융합한 전사 유닛 정보를 얻어냈으며, 전사체, 번역체 분석을 통해 항생제 생산과 관련된 유전자가 RNA 로부터 단백질이 합성되는 번역 단계에서 전사 속도보다 번역 속도가 느린 번역 버퍼링현상을 최초로 발견하여 항생제 대량 생산을 위한 새로운 타겟을 최초로 규명하였습니다. 그리고, 공생 배양 연구를 통해 철 이온 농도 조절에 의한 이차대사 조절 기작을 최초로 규명하였으며, 이를 바탕으로 21개의 새로운 항생물질을 발굴하였습니다. 이는 전세계적으로 유래 없는 규모의 방선균 시스템 분석 연구 및 데이터로 추후 방선균을 이용한 유용한 이차대사 산물 생산을 위한 필수 기초 자료로 이용될 것입니다.
(3) 기대효과 및 목표, 비전
본 연구진은 기존에 확보한 방선균 다중오믹스 분석 결과들을 기반으로 이차대사산물 생산을 증대시킬 수 있는 기술 개발에 중점을 둔 연구를 계획하고 있습니다. 구체적으로 CRISPR 기반 고효율 유전자 발현 조절 시스템 개발을 통해 항생제를 비롯한 이차대사산물 생산을 최대화 할 것이며, 방선균 유전체 내에 존재하는 불필요한 유전자를 제거하여 고효율로 이차대사산물을 생산할 수 있는 방선균 플랫폼 균주를 개발하는 것이 목표입니다. 이를 통해 다양한 유용 이차대사산물을 고속, 대용량, 고효율로 생산할 수 있는 전략을 정립하여 수퍼박테리아 치료제, 암, 면억억제제 등을 비롯한 인간에게 유용한 다양한 화합물을 확보하는데 기여를 할 수 있을 것으로 기대됩니다.
(4) 관련 연구 과제들의 목표 내용 및 진행상황
본 연구진은 '방선균 전사 조절 네트워크 규명', '고부가가치 화합물 고생산 방선균 균주 구축', '유전체 최소화 방선균 플랫폼 구축' 등의 목표로 연구를 진행 중에 있습니다. 본 연구는 과학기술정보통신부 바이오의료기술개발사업과 세계적인 바이오기업인 덴마크 노보사로부터 지원을 받아 수행되고 있습니다.
(5) 대표 성과
Jeong, et al. (2016) The dynamic transcriptional and translational landscape of the model antibiotic producer Streptomyces coelicolor A3(2), Nature Communications, 7:11605.
Hwang, et al. (2019) Primary transcriptome and translatome analysis determines transcriptional and translational regulatory elements encoded in the Streptomyces clavuligerus genome, Nucleic Acids Research, 47(12):6114-6129.
Lee, et al. (2020), Iron competition triggers antibiotic biosynthesis in Streptomyces coelicolor during coculture with Myxococcus xanthus, The ISME Jounal, 14:1111-1124.
3. 인공유전체: 최소유전체 대장균의 생장 원리 규명
(1) 연구배경 및 취지
전세계에서 사용되는 다양한 화학, 제약, 의료 물질들은 미생물로부터 생산되고 있습니다. 또한 최근에는 미생물의 유전체를 디자인하여 전자기기를 제작하듯이 세포를 합성하여 바이오 연료나 생리 활성 물질을 생산하는 합성생물학 기술이 등장했습니다. 이러한 기술의 한계점은 생명체가 가진 복잡성과 기능을 알 수 없는 유전자들로 인한 불확실성입니다. 따라서 불필요한 유전자를 제거하고 원하는 유전자만을 가진 유전체를 자유롭게 합성할 수 있다면 목적에 맞는 미생물을 설계, 제작하여 의약학, 소재 등 다양한 분야에서 이용할 수 있을 것입니다. 따라서 본 연구팀에서는 이를 가능하게 하기 위해 유전체 설계 및 합성 기술을 개발하고 인공 유전체를 제작하는 연구를 수행하고 있습니다
(2) 연구내용 및 요약
인공유전체를 설계하기 위해서는 우선 유전체를 구성하는 요소들의 정보와 이들의 조절 기작을 이해해야 합니다. 현재의 유전체는 너무 복잡하기 때문에 단순한 유전체를 먼저 제작한 후 이를 바탕으로 인공유전체 설계의 원리를 도출하는 전략을 선택했습니다. 본 연구팀은 대장균의 유전체 중 불필요한 부분을 제거하여 일반 대장균에 비해 유전체의 크기가 약 20% 축소된 최소유전체 대장균을 제작하였습니다. 다중오믹스를 통해 최소유전체의 전사체 및 대사경로를 분석하여 인공적으로 제작한 대장균이 가지는 생장원리를 규명하였습니다. 이는, 기존 세포에 적합한 대사 경로를 새로운 세포에 그대로 이용할 경우 대사 균형이 맞지 않아 성장이 저해되기 때문에 합성 세포를 제작할 때, 이에 적합한 대사경로 네트워크를 재설계해야 한다는 사실입니다. 또한, 최소유전체는 불필요한 유전자의 생산에 낭비되는 에너지를 절약하고, 일반 대장균과는 다른 당 대사 경로를 이용하기 때문에 환원력 (세포 내에서 고분자 화합물을 합성하는 데 필요한 에너지)이 4.5배 높은 것으로 밝혀졌습니다. 이 때문에 라이코펜(항산화 물질) 또는 비올라 세인(항바이러스·항암작용 역할) 같은 유용물질도 80％ 더 많이 생산했습니다.
(3) 기대효과 및 목표, 비전
연구과정에서 제작한 최소유전체와 분석을 통해 밝혀낸 유전체 정보는 미생물 기반 유용물질 생산과 바이오 화합물 생산 산업에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다. 현재는 규명한 설계 원리를 바탕으로 세포 내에서 발생하는 다양한 생화학 반응, 생장 과정 및 대사 물질들을 컴퓨터 시뮬레이션의 도움을 통하여 예측하고 재설계하는 연구를 수행하고 있습니다. 향후에는 유전체를 일정한 단위로 나누어 부품화/모듈화하고 어떠한 유전자가 필요하고 불필요한지 판단하여 여러 가지 유전체 청사진을 설계-제작하여 시험해보는 연구를 진행할 계획입니다. 궁극적으로는 최소유전체에서 더 나아가 부품화한 유전체와 여러 설계 원리들을 취합하여 목적 및 필요에 따라 여러 가지 인공유전체를 설계, 합성하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이러한 인공유전체는 질병 치료용 합성 미생물, 의약품 생산용 합성 세포공장 등으로 관련 분야에 기여할 것입니다.
(4) 관련 연구 과제들의 목표 내용 및 진행상황
'다중오믹스 기반 인공유전체 합성'을 주제로 연구를 진행하고 있는데, (1) 다중오믹스 분석을 통해 다양한 생명체의 유전체 정보를 해독하고, (2) 이를 바탕으로 유전체 조각을 합성-시험하여 부품화하고, (3) 모듈화한 인공 유전체를 조립-합성하여 원하는 인공 유전체를 제작하는 합성생물학 원천기술을 개발하는 것이 목표입니다. 다중오믹스 분석을 통해 유전체 정보를 해독하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 대사 모델을 제작하여 가상의 세포를 설계하는 연구를 진행하였고, 현재는 DNA를 합성하고 큰 유전체 조각을 합성하여 부품화하는 연구를 진행하고 있습니다. 본 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업과 바이오의료기술개발사업을 통해 지원을 받아 수행되고 있습니다.
(5) 대표 성과
Choe, et al. (2019) Adaptive laboratory evolution of a genome-reduced Escherichia coli, Nature Communications, 10, 935.
Cho, et al. (2018) High-level dCas9 expression induces abnormal cell morphology in Escherichia coli, ACS Synthetic Biology, 7(4), 1085-1094.
Cho, et al. (2015) The architecture of ArgR-DNA complexes at the genome-scale in Escherichia coli, Nucleic Acids Research, 43(6), 3079-3088.
Cho, et al. (2012) Deciphering the transcriptional regulatory logic of metabolism, Nature Chemical Biology, 8(1), 65-71.
Cho, et al. (2009) The transcription unit architecture of the Escherichia coli K-12 MG1655 genome. Nature Biotechnology, 27(11): 1043-1049.
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지도교수 : 조병관
