박테리오파지에 감염된 세균에서 파지의 핵산을 자르고 분해함으로써, 세균을 보호하는 적응면역기능을 하는 것으로 알려진 CRISPR/Cas 시스템을 이용하여, 세포내의 유전체를 자유자재로 편집을 할 수 있는 가능성이 제시된 지 10여년이 지났다. CRISPR를 이용한 유전체 편집 기술은 생명시스템의 프로그램을 바꾸어 원하는 방향으로 세포의 생명현상을 이끌어낼 수 있는 획기적인 기술로, 구체적으로 산업미생물의 업그레이드, 작물이나 가축의 육종, 인간의 유전병 치료 등 미래를 선도하는 생명공학의 기초가 될 수 있어 많은 연구가 되어 왔다. 하지만, 세포 내의 유전체를 편집하는 과정에서 CRISPR 초기 기술은 2가지 제약을 가지고 있었다. 첫째, CRISPR 유전자가위가 자르고자하는 표적 DNA 서열 주변에는 PAM서열을 가지고 있어야 하고 (표적의 PAM-의존성), 둘째, 유전체 크기가 큰 고등생명체에서는 표적 DNA서열 이외에 표적과 유사한 서열도 CRISPR 유전자가위가 자를 수 있다는 점이다 (표적이탈효과).
본 논문에서는 연구자들이 지난 10년 동안 단백질공학을 통해서 PAM-의존성을 낮추어 어떠한 서열도 표적으로 인식하여 자를 수 있는 유전자가위의 개발과, 효과적으로 제어할 수 없는 표적이탈효과 때문에 가위의 기능을 없앤 염기편집기 (base editor) 등의 개발에 대해서 소개하였다. 그리고, 표적서열에서 다양한 편집을 위해서는 유전자가위가 여전히 필요한데, CRISPR 유전자가위가 원래 갖고 있는 특성 중에 하나인 표적서열에 대한 불일치 허용 (Mismatch tolerance) 때문에 편집되지 않은 서열과 염기 1-2개를 편집한 서열을 구분할 수 없는 단점을 극복한 연구를 정리하였다. 즉, 1) 표적 DNA와 guide RNA의 사이의 염기 불일치를 허용하는 CRISPR의 특성을 역이용한 ‘불일치 guide RNA (mismatched guide RNA)’ 방법과 2) ‘잘려진 guide RNA (truncated guide RNA)’의 불일치 불허용 (Mismatch intolerance)을 이용한 유전체 편집 방법이 개발되어 미생물의 유전체에서 원하는 부분을 정교하게 염기수준에서 편집하는 방법을 소개하였다.
단일염기수준의 정확한 유전체 편집 기술의 향후 활용 분야에 대해서도 논문에서 제시하였다. 즉, CRISPR 유전체 편집 기술은 DNA수선과 같은 기초 연구, 농생명 분야에서 필요한 공생미생물 개발, 그리고 산업바이오 분야에 필요한 유용미생물 업그레이드 등과 같이 폭넓게 쓰일 뿐만 아니라, 개인 맞춤형 건강 관리에 필요한 마이크로바이옴 리모델링에도 활용될 수 있으며, 앞으로 미생물 분야 뿐 아니라, 고등생명체에서 정교한 유전체편집기술 개발에 대한 기초 데이터를 제공하는 등 미래의 여러가지 바이오 연구 개발의 초석이 될 것이다.
중앙대학교 시스템생명공학과
E-mail : sangjlee@cau.ac.kr
KAIST 생명과학과 이학박사
KAIST 대사공학연구실 Post-Doc Fellow
美국립보건원(NIH), 국립암연구소 분자생물학연구실, Research Fellow
한국생명공학연구원(KRBB), 선임연구원, 책임연구원, 센터장
과학기술연합대학원대학교(UST), 전임교원
중앙대학교 시스템생명공학과 부교수
중앙대학교 시스템생명공학과
E-mail : hojlee@cau.ac.kr
중앙대학교 시스템생명공학과 이학사
중앙대학교 대학원 석박통합과정
중앙대학교 시스템대사공학연구실에서는 집중하고 있는 연구 분야는 미생물의 적응과 진화, 유용한 생화학물질 생산을 위한 발효 및 대사공학, 정교한 CRISPR/Cas 기술 개발, 항생제 대체를 위한 박테리오파지 개발, 피부미생물 상호작용 연구 등이 있다. 구체적으로, 미생물의 발효과정에서 적응 및 진화에 관한 연구를 수행하면서 대장균에서 새로운 포도당 transporter 발굴에 관한 내용을 최근 논문으로 발표하였고, 미생물이 새로운 환경에 적응하는 동안 미생물 집단에서 더 나은 적합성을 가진 유전적으로 적응된 세포가 출현하고 subpopulation을 형성하는 과정을 형광신호로 시각화하고 정량화하는 연구논문을 발표하기도 했다.
기초적인 연구뿐 아니라, 혐기미생물에서 발효산물의 조절 메커니즘에 대해서 연구하고 그와 함께 인간의 장내에서 유용한 역할을 하는 물질의 생산에 관한 연구도 수행하고 있다. 여러가지 쓰임새가 있는 2차대사산물을 미생물에서 대량으로 생산하기 위한 유전체 공학 기술도 확립하였으며, 특히 천연화합물 합성 유전자를 미생물에 이식하는 방법을 시스템생물학, 합성생물학적 관점에서 구축하고 있으며, 생합성된 물질의 항균 활성 및 항염증 기능을 검증하는 연구도 수행하고 있다.
아울러 정교한 유전체 편집과 유전자 발현 조절을 위한 CRISPR 기술 업그레이드와 단일 염기 수준의 정교한 유전체 편집기술을 이용하여, 항생제 내성균을 제어할 수 있는 박테리오파지 개발과 프로바이오틱스 균주 업그레이드에 활용하고 있다. 그 밖에도 피부에 존재하는 여러 미생물들의 상호작용 매개체로 이용하는 물질을 규명하고, 아토피, 여드름 등 피부질환을 개선할 수 있는 미생물 또는 소재를 발굴하는 연구도 진행하고 있다.
- 미생물의 적응과 진화 메커니즘 연구
- 유전체 편집 및 유전자 발현 조절을 위한 CRISPR 기술 개발
- 피부 미생물 상호작용 조절 연구
- 항생제 내성균 제어 박테리오파지 개발
