서울대 서상우 교수팀, RNA 타겟팅 CRISPR-dCas13 기반 유전자 번역 다수준 조절 시스템 개발

(왼쪽부터) 서울대 화학생물공학부 서상우 교수, 김기호 박사과정생

세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 6월 22일 온라인 게재

서울대학교 공과대학은 화학생물공학부 서상우 교수팀이 미생물 세포공장에서 유전자 발현을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 합성생물학 방법론을 개발했다고 27일 밝혔다.

서울대 공대 측에 따르면, 기존에는 유전자 조절에 CRISPR-dCas9 또는 dCpf1이라는 도구가 주로 사용됐지만, 이들은 여러 유전자가 함께 발현되는 오페론 구조에서 모든 유전자의 발현을 한꺼번에 억제한다는 한계가 있었다. 이는 오페론 구조 내의 각 유전자의 발현을 독립적으로 억제하여 그 영향 파악에 걸림돌이 됐다.

이번 연구에서는 유전자 발현 조절을 위해 CRISPR-dCas13이라는 새로운 도구가 활용됐다. 생명체의 유전 정보는 일반적으로 DNA에서 RNA로 전사되고, RNA에서 단백질로 번역돼 그 기능이 발휘된다. dCas13은 기존의 유전자 조절 도구가 타겟하던 DNA가 아닌 RNA를 타겟으로 해 유전자 발현을 번역 수준에서 억제하는 방법에 활용될 수 있었다.

서울대 연구팀은 오페론 구조로 발현되는 유전자들의 발현 조절 시, 기존의 전사 단계 억제 시스템과 대비해 오페론 내 각 유전자의 발현을 보다 독립적으로 조절할 수 있음을 검증했으며, 더 나아가 유전자의 번역을 단순히 ON/OFF하는 것이 아니라 다양한 수준으로 예측 가능하게 조절할 수 있는 시스템을 개발했다. 가이드 RNA의 손잡이 부분에 다양한 구조적 변화를 도입함으로써 타겟 유전자의 발현을 2.8%에서 86.3%까지, 넓은 범위와 균일한 분포도로 억제할 수 있는 개량 가이드 RNA 세트를 구축했다는 것이 연구팀 측의 설명이다.

연구팀은 이렇게 구축한 새로운 번역 조절 시스템을 통해 대장균 세포공장에서 생분해성 플라스틱의 핵심 원료인 3-하이드록시프로피온산의 생산성을 14배까지 증가시켰다. 서상우 교수는 “이번 연구에서 개발한 기술은 유전자를 번역 단계에서 정밀하게 조절할 수 있는 합성생물학 기술로, 미생물 세포공장의 물질대사 최적화에 효과적으로 활용될 수 있을 것”이라고 전했다.

해당 연구는 그 성과를 인정받아 세계적인 과학 저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 6월 22일 온라인 게재됐다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 합성생물학핵심기술개발사업, 차세대바이오유망범용기술연구지원사업, 첨단GW바이오사회밀착형지원사업사업, 우수신진연구 및 해양수산부의 해양바이오 산업소재 국산화 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.