방선균은 전 세계 항생제 중 70% 이상을 생산하는 대표적인 산업 미생물입니다. 항생제는 방선균 유전체 내에 존재하는 거대한 이차대사산물 합성 유전자 클러스터 (secondary metabolite biosynthetic gene cluster, SM-BGC)로부터 합성 됩니다. 현재까지 보고된 500여종의 방선균은 한 종당 대략 30가지의 서로 다른 SM-BGC를 보유하고 있기에 방선균은 신규 항생제 후보 물질 발굴에 있어서 가장 풍부한 자원으로 여겨지고 있습니다. 하지만, 방선균이 보유하고 있는 SM-BGC들 중 대부분이 실험실 배양조건에서는 발현이 되지 않아 방선균을 이용한 효율적인 신규 항생제 개발 및 생산을 제한하고 있습니다. 이를 극복하기 위하여, 발현되지 않는 SM-BGC를 활성화 시켜 신규 항생제 후보 물질을 생산하고자 하는 시도들이 계속 되어오고 있습니다. 본 연구에서는 그러한 시도들 중, 합성생물학 개념을 적용한 SM-BGC 재설계 (redesign) 및 재구축 (reconstruction) 을 통해 방선균에서 새로운 항생제를 생산하는 방법에 대한 최신기술을 소개하였습니다. 합성생물학적 접근 방식은 반복적인 설계-구축-테스트 사이클을 통하여 방선균을 engineering하고 타겟 물질의 생산양을 최대화 시키는 것을 목적으로 합니다. 첫째로 설계 과정은 genome mining을 통한 방선균 내 SM-BGC를 예측하고, SM-BGC가 방선균내 존재하는 복잡한 조절 기작으로부터 독립적으로 발현될 수 있도록 합성생물학 파트들을 이용하여 SM-BGC를 재설계하는 과정입니다. 둘째로 구축 과정은 유전체 내의 SM-BGC를 앞서 재설계한 SM-BGC와 같도록 engineering을 하는 과정과 재설계한 SM-BGC를 운반 vector에 조합시키고, 이를 적합한 heterologous expression host로 전달하는 과정으로 나눌 수 있습니다. Heterologous expression을 위한 방선균 host로써는 유전체 내 SM-BGC들이 제거되어 타겟 항생제만을 효율적으로 생산할 수 있는 chassis strain이 관심을 받고 있습니다. 마지막으로 테스트 과정은 타겟 항생제 고생산 균주를 고속 대용량 스크리닝 하는 기술을 개발 및 적용하여 다음 사이클의 설계 과정에 재적용할 정보를 얻는 것을 의미합니다. 이러한 합성생물학 사이클이 반복되면 방선균에서 사용 가능한 genetic part가 축적될 것이고, 이와 더불어 방선균 유전체 engineering 기술이 최적화된다면, 이를 이용하여 최종적으로 신규 항생제 후보 물질의 다양성과 생산성을 높이는데 큰 역할을 할 것이라 생각됩니다.
KAIST 생명과학과 교수
E-mail : bkcho@kaist.ac.kr
부교수, 조교수, 카이스트 생명과학대학 생명과학과
겸임교수, Centre for Biosustainability, Denmark Technical University, Denmark
겸임교수, 한국과학기술원 바이오융합연구소
Project Scientist, 박사후 연구원, UCSD Bioengineering, USA (지도교수: Bernhard Palsson)
박사, 서울대학교 생물화학공학전공
KAIST 생명과학과 시스템 및 합성생물학 연구실 석박사통합과정생
E-mail : pig948@kaist.ac.kr
KAIST 생명과학과 시스템 및 합성생물학 연구실 석박사통합과정
KAIST 생명과학과 학사
KAIST 시스템 및 합성생물학 연구실에서는 미생물 유전체, 전사체, 번역체, 전사유닛, 단백체, 대사체 등의 대용량 다중오믹스 정보를 기반으로 생명현상을 이해하는 시스템 생물학 연구를 수행하고 있다. 또한, 얻은 정보를 공학적 관점에서 재해석하여 친환경 화학소재, 의약품, 기능성물질등을 고효율로 생산할 수 있는 최적의 인공유전체를 설계 및 구축하는 합성생물학 연구 주제들을 진행하고 있다.
