▲(왼쪽부터) 서울대 화학생물공학부 서상우 교수, 포스텍 화학공학과 정규열 교수
서울대학교 공과대학(학장 차국헌)은 화학생물공학부 서상우 교수 연구팀과 포항공과대학교 화학공학과 정규열 교수 연구팀과의 공동연구로 바이오센서 기반의 인공진화기술을 이용하여 탄소중립형 고부가가치 바이오화학제품 생산용 세포공장 최적화 원천 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
대장균, 효모 등의 산업 미생물은 복잡한 화학 공정과 달리 원료를 제공하는 것만으로 간단하고 빠르게 고부가가치의 화합물을 생산할 수 있어 하나의 ‘세포공장’으로서 그 활용도가 증가하고 있다. 미생물을 ‘세포공장’으로 활용하기 위해서는 공장에서 생산라인을 구축하듯이 미생물 내에 화학제품을 생산할 수 있는 생화학반응경로를 구축해야 한다. 이것은 동식물 유래의 외래 유전자를 도입함과 동시에 미생물 세포 전체의 생화학반응의 활성을 최적화해야 하며, 이것이 효율적인 세포공장 개발에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.
이에 서울대 서상우 교수 연구팀(한용희 박사과정)과 포스텍 정규열 교수 연구팀(석주연 박사)은공동연구를 통해 합성생물학 도구의 일종인 바이오센서를 활용하여 미생물이 스스로 탄소 흐름을 조절할 수 있도록 하는 인공진화기술을 개발하였으며, 이를 통해 매우 효율적으로 미생물의 생장과 화학제품생산을 동시에 최적화할 수 있음을 밝혀냈다.
연구팀은 다양한 화학제품의 원료로 사용될 수 있는 3-하이드록시프로피온산 (3-Hydroxypropionic acid, 3-HP)을 생산하는 대사 경로와, 세포 내 3-HP 분자의 농도에 따라 항생제 저항성 유전자를 발현시키는 3-HP 바이오센서를 미생물에 도입했다. 이후 항생제 농도를 점진적으로 높여가며 배양했을 때 생존하는 미생물만 선별하는 적응진화 (Adaptive laboratory evolution) 과정을 통해 3-HP 생산성이 높아진 미생물을 개발했다.
본 연구팀은 적응진화시킨 미생물의 유전적 정보를 분석하여 탄소 흐름 조절에 핵심적인 역할을 하는 두 유전자 (cyaA, crp)에 발생한 돌연변이를 발견했다. 또한 두 돌연변이 유전자를 도입한 미생물을 제작함으로써 이론적 최대치의 93%에 달하는 세계 최고 수준의 3-HP 생산 수율을 달성했다.
연구팀은 “특정 대사 산물을 타깃으로 하는 바이오센서를 활용한 인공진화기술을 이용한다면 세포공장의 화학제품생산에 핵심적인 유전자이지만 인간의 판단으로는 파악하기 어려운 유전자의 발현을 최적화할 수 있을 것”이며, “이를 통해 제품 생산과 세포 생장에 쓰이는 탄소원의 분배가 최적화된 다양한 미생물세포공장 개발에 활용가능하며, 탄소중립형 바이오화학제품의 상용화에 활용될 것”으로 밝혔다.
해당 연구결과는 8월 25일, 세계 최고 권위의 과학 전문지 “셀 (Cell)” 자매지인 ‘‘셀 리포트 (Cell Reports)” 온라인을 통해 공개되었다. 이번 연구성과는 한국연구재단의 C1 가스리파이너리 사업, 글로벌 연구실 사업, 바이오·의료기술 개발 Korea Bio Grand Challenge 사업 등의 지원을 받아 수행되었다.
[논문명 및 저자 정보]
논문명: Synthetic biosensor accelerates evolution by rewiring carbon metabolism toward specific metabolite
게재지: Cell Reports (2021)
제1저자: 한용희 (서울대학교), 석주연 (포스텍)
교신저자: 서상우 (서울대학교), 정규열 (포스텍)
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)01023-8
[문의사항]
서울대학교 공과대학 화학생물공학부 서상우 교수 / 02-880-2274 / swseo@snu.ac.kr / Twitter: @SangWooSeo_SNU