서울대학교

- 기존 DNA 타겟팅 크리스퍼 간섭 시스템 대비 오페론 내 유전자 특이적 발현 조절 가능
- 미생물 내 대사 경로 정밀 조절 및 물질 생산 극대화에 활용 기대
- 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 6월 22일 온라인 게재

▲ (왼쪽부터) 서울대 화학생물공학부 서상우 교수, 김기호 박사과정생

서울대학교 공과대학은 화학생물공학부 서상우 교수팀이 미생물 세포공장에서 유전자 발현을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 합성생물학 방법론을 개발했다고 밝혔다.

기존에는 유전자 조절에 CRISPR-dCas9 또는 dCpf1이라는 도구가 주로 사용되었지만, 이들은 여러 유전자가 함께 발현되는 오페론 구조에서 모든 유전자의 발현을 한꺼번에 억제한다는 한계가 있었다. 이는 오페론 구조 내의 각 유전자의 발현을 독립적으로 억제하여 그 영향 파악에 걸림돌이 되었다.

이번 연구에서는 유전자 발현 조절을 위해 CRISPR-dCas13이라는 새로운 도구가 활용되었다. 생명체의 유전 정보는 일반적으로 DNA에서 RNA로 전사되고, RNA에서 단백질로 번역되어 그 기능이 발휘된다. dCas13은 기존의 유전자 조절 도구가 타겟하던 DNA가 아닌 RNA를 타겟으로 하여, 유전자의 발현을 번역 수준에서 억제하는 방법에 활용될 수 있었다.

▲ [그림] 번역 단계 크리스퍼 간섭 시스템의 개념도

연구팀은 오페론 구조로 발현되는 유전자들의 발현 조절 시, 기존의 전사 단계 억제 시스템과 대비하여 오페론 내 각 유전자의 발현을 보다 독립적으로 조절할 수 있음을 검증하였으며, 더 나아가 유전자의 번역을 단순히 ON/OFF하는 것이 아니라 다양한 수준으로 예측 가능하게 조절할 수 있는 시스템을 개발하였다. 가이드 RNA의 손잡이 부분에 다양한 구조적 변화를 도입함으로써 타겟 유전자의 발현을 2.8%에서 86.3%까지, 넓은 범위와 균일한 분포도로 억제할 수 있는 개량 가이드 RNA 세트를 구축하였다.

연구팀은 이렇게 구축한 새로운 번역 조절 시스템을 통해 대장균 세포공장에서 생분해성 플라스틱의 핵심 원료인 3-하이드록시프로피온산의 생산성을 14배까지 증가시켰다. 서상우 교수는 “이번 연구에서 개발한 기술은 유전자를 번역 단계에서 정밀하게 조절할 수 있는 합성생물학 기술로, 미생물 세포공장의 물질대사 최적화에 효과적으로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

해당 연구는 그 성과를 인정받아 세계적인 과학 저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 6월 22일 온라인 게재되었으며, 한국연구재단의 합성생물학핵심기술개발사업, 차세대바이오유망범용기술연구지원사업, 첨단GW바이오사회밀착형지원사업사업, 우수신진연구 및 해양수산부의 해양바이오 산업소재 국산화 기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.

[논문명 및 저자 정보]
논문명: Tunable translation-level CRISPR interference by dCas13 and engineered gRNA in bacteria게재지: Nature Communications 15:5319 (2024)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-49642-x
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-024-49642-x

제1저자: 김기호(서울대학교 박사과정)
교신저자: 서상우(서울대학교 화학생물공학부)

[문의사항]
서울대학교 공과대학 화학생물공학부 서상우 교수 / 02-880-2274 / swseo@snu.ac.kr