미생물에서 독성 대사체는 줄이고, 화학물질은 더 많이 생산하는 조절 시스템

 

출처 : 한국바이오안전성정보센터(KBCH) 바이오화학산업동향 (TWB)

 

미국 에너지부 (DOE) 산하의 Joint BioEnergy Institute (JBEI)의 연구팀이 유전자 변형 미생물에서 독성 대사체의 축적을 막는 역동적 조절 시스템을 처음 보고했다. 연구팀은 이 시스템을 이용하여 E. coli로부터 항말라리아 약물인 artemisinin의 전구체인 amorphadiene의 생산을 2배나 늘렸다고 한다.

 

연구팀은 전장 유전체 전사 분석 기술 (genome-wide transcriptional analysis)을 이용하여 E. coli에서 독성 대사체에 반응하여 보호 유전자 발현을 촉진시키는 promoter라 불리는 영역을 찾았다고 한다. 이어서 연구팀은 이 promoter에 기반한 인공적인 대사 경로를 조절하는 시스템을 개발하여, E. coli에 도입시킴으로써 amorphadiene을 더 많이 생산하게 만들었다고 한다.  연구를 주도한 Jay Keasling은 “이전에도 독성 대사체 수치의 고정적 조절자들은 개발되었지만, 미생물의 성장이나 환경 조건에서의 변화에 반응하는 대사 조절자는 이번이 처음이다. 환경이나 성장 변화를 감지하고 반응할 수 있는 통제 시스템은 원하는 화학물질의 최적 생산에 요구되고 있다.”라고 밝혔다. 

 

Artemisinin과 같은 생명을 구하는 약물에서부터 지속 가능한 청정 바이오 연료까지의 가치 있는 화학물질 생산을 위한 미생물의 대사공학의 중요성은 계속 커지고 있다. 지금까지 물질 생산을 위하여 다른 종의 대사 경로가 도입된 미생물 숙주 (host)들은 발현되는 대사체에 대한 자연적인 규제 시스템이 없었다고 한다. 이처럼 다른 종의 효소의 발현이 조절되지 못하면 미생물 숙주에 독성으로 작용하여 목적 화학물질의 생산이 저하될 수 있다고 한다.

 

Keasling은 “비록 합성 생물학이 새롭고 역동적인 유전적 회로를 만드는데 큰 발전을 이루었지만 다른 종의 대사경로에 대한 통제 시스템의 대부분은 여전히 유도가능 또는 구성 promoter에 의존하고 있다. 생물반응기에서 특정 성장기나 조건에 최적화된 promoter 라이브러리, mRNA 안정성 또는 ribosome 결합에 의한 맞춤 발현 강화 방법이 개발되어 있지만 발효 공정 중에는 성장과 환경 조건은 바뀌게 된다.”라고 밝혔다. 이런 이유로 발효 공정에서 중간 대사체의 축적이 독성 수준이 되면 스트레스 반응을 유발시킨다고 한다. 그러나 연구팀은 대사체가 축적되었을 때에 숙주 미생물의 자연적인 스트레스 반응 시스템을 깨울 수 있다고 추론하게 되었다고 한다. 때문에 연구팀은 E. coli 유전체의 전사 프로파일링 (profiling)으로 다른 종의 대사경로에 대한 전사 반응을 평가하고, 대사체 독성에 대한 반응에 이용할 promoter 목록을 만들었다고 한다.

 

Keasling은 “독성 중간 대사체에 반응하는 대사 발현 조절 promoter를 이용함으로써 세포의 대사 상태와 대사 경로의 발현 사이를 연결고리를 만들었다. 이것으로 우리는 중간체 경로에 반응하고 조절하는 바이오센서를 만들 수 있게 되었다. In silico 모델에서도 우리의 방식은 기존의 여러 유도가능 promoter와 구성요소 promoter 이상으로 원하는 화학물질의 생산을 향상시키는데 이용할 수 있는 것으로 나타났다.”라고 밝혔다.

 

연구팀은 자신들의 역동적인 방법이 기존의 구성요소 promoter가 이용되는 고등한 생명체의 대사 조절에도 확대될 수 있을 것으로 믿고 있다. 이 기술은 특히 식용 작물에서 영양 성분의 축적의 개선이나 에너지용 작물에서 연료용 당을 추출을 어렵게 만드는 lignin의 감소에 특히 유망하다고 한다. Keasling은 “우리가 찾고 있는 전략은 전세계의 증가하는 인류의 식량 문제나 바이오매스를 재생가능 연료로 효과적으로 전환시키는데 도움을 주게 될 것이다.”라고 밝혔다.

 

Dahl et al. 2012. Engineering dynamic pathway regulation using stress-response promoters. Nature Biotechnology DOI: 10.1038/nbt.2689