서울대학교 공과대학 화학생물공학부 서상우 연구팀이 유전자변형 미생물의 생존을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 합성생물학 기반 생물격리(biocontainment) 기술을 개발했다고 밝혔다.
생물격리 기술은 유전자변형 미생물이 외부 환경에서 무분별하게 증식하지 못하도록 제어하는 안전 기술이다. 산업용 바이오 공정과 바이오의약 분야에서 유전자변형 미생물 활용이 확대되면서 관련 안전 기술 중요성도 커지고 있다.
이번 연구 성과는 유전체 분야 국제 학술지 유전체학 관련 저널인 Nucleic Acids Research에 게재됐다.
유전자변형 미생물은 바이오 연료와 친환경 화학소재, 의약품 생산 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 하지만 외부 환경 유출 시 생태계 교란이나 안전성 문제 가능성이 제기되면서 미생물 생존을 인위적으로 제어하는 기술 개발 필요성이 꾸준히 제기돼 왔다.
기존 생물격리 기술은 특정 영양소가 있어야만 생존 가능한 상태로 만드는 영양요구성(auxotrophy) 전략이나 독소-항독소 시스템, 그리고 유전자를 직접 절단하는 CRISPR-Cas9 기반 방식 등이 주로 활용돼 왔다.
그러나 이러한 방식은 환경 변화에 영향을 받기 쉽고 세포 스트레스와 돌연변이 발생 가능성이 있다는 한계가 있었다. 특히 DNA를 직접 절단하는 CRISPR-Cas9 기반 기술은 유전체 안정성을 저해할 수 있으며, 일부 세포가 돌연변이를 통해 살아남는 문제도 보고돼 왔다.
이에 연구팀은 DNA를 직접 절단하지 않고 특정 유전자 정보를 정밀하게 바꾸는 ‘CRISPR-dCas9 기반 베이스 에디팅(base editing)’ 기술에 주목했다.
연구팀은 세포 생존에 필수적인 유전자의 시작 신호(start codon)를 선택적으로 변형해 해당 유전자가 더 이상 작동하지 않도록 만드는 새로운 전략을 개발했다. 쉽게 말해 세포 생존에 필요한 핵심 기능의 ‘전원 스위치’를 영구적으로 끄는 방식이라는 설명이다.
이 기술은 DNA를 강제로 절단하지 않기 때문에 기존 CRISPR 기반 방식보다 세포 손상과 돌연변이 발생 위험을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다.
특히 연구팀은 단일 유전자 제어를 넘어 여러 필수 유전자를 동시에 조절하는 다중 표적(base editing multiplexing) 전략도 구현했다. 이를 통해 일부 세포가 우연히 살아남는 ‘생존 탈출(escape)’ 현상을 크게 줄이는 데 성공했다고 밝혔다.
또한 다양한 필수 유전자에 대한 가이드 RNA(gRNA)를 설계하고 유도 시간과 발현 조건을 조절함으로써 세포 생존율을 정밀하게 제어할 수 있음을 실험을 통해 검증했다. 짧은 시간 동안 시스템을 활성화하는 것만으로도 세포 생존이 비가역적으로 차단된다는 점도 확인됐다.
연구팀은 이번 기술이 향후 산업용 미생물 공정과 바이오의약 분야에서 안전성을 높이는 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 바이오 연료와 친환경 플라스틱, 고부가가치 화학물질 생산 공정에서 외부 유출 위험을 줄이는 안전장치로 활용 가능성이 제시된다.
또한 장내 미생물 치료제와 세포 기반 바이오의약품 분야에서도 특정 조건에서 미생물 생존을 종료시키는 제어 기술로 응용될 가능성이 높다는 설명이다.
서상우는 “이번 연구는 베이스 에디팅 기술을 활용해 세포 생존을 정밀하고 영구적으로 제어할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 차세대 생물안전 기술로 확장될 가능성이 높다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 합성생물학핵심기술개발사업과 바이오파운드리 기반기술개발사업, 우수신진연구사업 및 삼성미래기술육성사업 지원을 받아 수행됐다.
합성생물학과 유전자 교정 기술이 빠르게 발전하면서 산업과 의료 분야에서 유전자변형 미생물 활용 범위도 크게 확대되고 있다. 하지만 기술 발전 속도만큼 중요한 것이 안전성 확보라는 점에서, 이번 연구는 ‘활용’과 ‘통제’를 동시에 가능하게 하는 차세대 생물안전 기술의 방향성을 보여준다는 점에서 의미가 크다.
출처 : E동아(https://edu.donga.com): 김동열 기자 yainn123@donga.com