서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 화학생물공학부 서상우 교수 연구팀이 CRISPRi에서 단일 가이드 RNA(이하 sgRNA) 개량을 통해 대장균에서 유전자 발현을 정밀하게 조절하는 방법을 개발했다고 밝혔다.

유전자 발현의 정밀한 조절은 바이오 연료, 의약품, 화학물질 생산과 같은 산업 분야에서 대사 경로 최적화의 핵심 과정이다. 대사 경로 최적화를 통해 생산물의 양과 품질을 개선하고, 생산 비용을 절감할 수 있다.

▲ 왼쪽부터 서울대 화학생물공학부 서상우 교수, 박사과정 변기벽 학생, 제주대학교 화학공학과 양진아 교수

최근 유전자 가위로 알려져 있는 CRISPR 시스템은 Cas9이라는 단백질과 sgRNA가 타깃 DNA를 선택적으로 자르는 차세대 유전 공학 기술이다. Cas에 변이를 가해 타깃 DNA를 절단하지 않고 전사 단계에서 대상 유전자를 억제하는 CRISPRi라는 시스템을 대사 경로 조절에 활용하고자 하는 연구가 활발하다. 하지만 기존의 CRISPRi를 다단계 전사조절에 활용하는 데에는 한계가 있었다.

연구팀은 이 같은 문제점을 극복하기 위해 sgRNA를 개량해 CRISPRi 시스템의 유전자 전사 효율성을 다단계로 조절하는 방법을 제시했다. sgRNA의 테트라루프 및 그 주변 영역을 타깃으로 하는 라이브러리 제작 및 유세포 분석을 통해 CRISPRi가 타깃 DNA를 최대 45배까지 다단계로 전사 억제 효율 달성을 확인했다.

이러한 경향성은 타깃 DNA가 변화하더라도 유지되는 것이 확인됐으며, 유전자의 전사 억제 효율이 테트라루프의 2차 구조의 안정성과 직접적인 연관성이 있다는 것을 밝혀냈다.

연구팀은 조절 가능한 CRISPRi 시스템을 비올라신 생합성 경로에 적용해 여러 생성물들의 생산성을 예측 가능하게 변화시킬 수 있음을 확인했다. 또한 대장균 내의 필수 유전자를 부분적으로 억제해 생장 속도의 저해 없이 탄소원을 재분배함으로써 라이코펜 생성을 2.7배 증가시킬 수 있음을 확인했다.

서상우 교수는 “이번 연구에서 개발한 전사 조절 시스템은 프로모터 또는 5’-UTR(Untranslated region, 비번역부위) 부분과 같이 타깃 유전자를 직접적으로 조작하는 과정을 대체할 수 있어 대사 과정 최적화 단계에서의 스크리닝 속도를 획기적으로 증가시킬 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 이 연구결과는 3월 31일 세계적 학술지인 ‘Nucleic Acids Research’를 통해 공개됐다. 이번 연구성과는 한국연구재단의 Korea Bio Grand Challenge, 차세대바이오유망범용기술연구지원, 첨단GW바이오 사업 및 해양수산부의 해양바이오 산업소재 국산화 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.