Research

개요

살아있는 세포를 구성하는 다양한 기능들을 단순화해 보면 구획된 공간에서 일어나는 생화학적 반응, 유전 정보의 이동, 그리고 이들의 조화로운 제어로 구성될 수 있다. 오랜 시간동안 생명체는 세포기능에 최적화된 생체물질(유전자/단백질)들을 진화시켜 왔고 이들은 인간이 만들어낸 어떤 기계보다 정교하게 세포내에서 조화를 이루며 생명을 유지시키고 있다. 오늘날 생명과학은 다양한 생체물질들에 대한 대량정보를 바탕으로 그 반응 기작이나 유전정보의 특성을 고속으로 파악하는 수준에 이르렀으며 나아가 특정 생체물질의 세포내 발현을 제어함으로써 의학적 또는 산업적으로 유용한 대사산물을 효율적으로 생산하는 연구도 진행되고 있다.

그러나 생명 현상의 복잡성과 다양성으로 인한 생물학 연구의 기술적 한계가 부각되기 시작했고 이에 생체물질(생체부품)을 공학적 관점으로 해석하고 활용함으로써 생명현상을 이해하려는 합성생물학이 발전하게 되었다. 합성생물학은 다양한 생체기능을 하나하나 해석하기 보다는, 작용기능 및 기전을 알고 있는 표준부품(Predictable, Measurable, Controllable, Transformable)을 체계적으로 개발해 나가고, 이들을 조합하여 만든 고도화된 디바이스를 세포에 도입하여 공학적 활용을 가능하게 하는 것이다.

본 연구실에서 수행하는 합성생물학 연구는 특정 생물학적 기능을 구현하는 유전자회로 개발에 주력하고 있으며 이를 위해 효소/단백질 기능, 대사물질 제어, 그리고 신규 생체부품 발굴 및 유전자회로 설계 기술에 관련된 생명공학 원천기술을 개발하는 것을 목표로 한다.

초고속 탐색 유전자회로기술

유전체 정보는 현재 12,000종을 넘어섰으며 NGS기술의 발전으로 2020년까지 1,300,000 종이 넘는 유전체 정보를 확보할 것으로 기대하고 있다. 그러나 이들의 기능 규명은 여전히 많은 시간과 노력을 필요로 하고 따라서 대량 유전체 라이브러리에서 원하는 기능의 유전자를 초고속으로 탐색하는 기술이 필요하다. 본 연구실에서는 방향족 및 다양한 화학물 유도체에 의해 활성화 되는 센서 유전자회로를 개발하고 있으며 이러한 유전자 회로는 FACS/이미징/NGS 기술과 연동되어 대규모 메타지놈 라이브러리에서 신규 효소/단백질의 고속탐색/개량에 이용되고 있으며 기질의 농도(input)에 따른 정량적 출력(output)이 가능하여 미세한 농도 변화나 감도에 대한 정량적 분석 수단으로도 활용이 가능하다.

동적 세포 제어 유전자회로 기술

기존 세포 대사 제어는 프로모터, 리보좀 결합부위, 조절자와 유전자의 간격 등을 엔지니어링 하는 정적 유전자 조절(static control)이라고 할 수 있다. 이러한 정적 유전자 조절은 특정 생육/발효 조건에 최적화되어 있어 조건 변화 시 최적의 대사 제어가 어려워 진다. 능동형 대사 제어를 위해서는 다양한 환경 하에 있는 세포의 생리상태에 따라 동적인 (dynamic) 반응을 보일 수 있는 대사 제어 회로의 설계가 필요하다. 본 연구실에서 연구 중인 동적 제어(dynamic regulation)는 세포 생육 기간동안 실시간으로 대사 농도에 반응하여 관련 효소의 발현을 제어할 수 있게 한다. 동적 제어를 위해서는 대사 경로의 주요 중간체를 감지할 수 있는 센서와 조절자가 필요하며 본 연구실에서는 조절자로서 CRISPR 기술을 이용하고 있다.



연속반응 효율화를 위한 대사집적기술

최근 고기능 현미경 및 상호작용 분석기술의 발달에 따라 자연 상태의 세포들이 단백질 및 효소복합체로 구성된 다양한 구조물들을 형성하고 세포내에 특정위치에 자리하고 있음이 알려지고 있다. 이렇게 특정 대사활성이 집약된 다양한 소기관들은 해당 대사과정이 다른 대사활동들과 공간적으로 구분되게 해줌으로써 필요한 효소 및 대사과정의 선택적 활성화를 가능하게 해준다. 본 연구실에서는 섬유소결합도메인 (CBD, cellulose binding domain)과 활성 효소를 융합하여 세포 내에 발현하면 자발적 단백질응집이 나타나며, 대사 경로를 구성하는 다양한 효소들로 이러한 소기관 구조를 형성하면 높은 수준의 연속반응효율을 얻을 수 있음을 확인하였다. 예를 들면 CBD와 융합시킨 β-glucuronidase 등의 경우 정상적인 단백질 접힘 상태를 유지할 수 있으며 대부분의 활성(약 93%)이 단백질입자에서 관찰된다.

유전자회로 디자인을 위한 부품뱅크 개발

표준부품은 보다 고도화된 세포시스템을 설계하기 위한 기본요소라고 할 수 있는데 이들은 짧은 DNA 서열로서 프로모터, 리보좀 결합 사이트, ORF, 종결자 등을 포함한다. 이러한 부품들은 토글스위치나 신호 발생기와 같은 간단한 기능을 하는 모듈로 조립될 수 있으며 모듈들의 조합으로 보다 큰 규모의 시스템으로 확장될 수 있다. 본 연구실 에서는 이러한 유전자회로를 구성하는 부품들을 체계적으로 관리하는 데이터베이스와 각 부품들의 조합을 통한 회로 설계 인터페이스를 제공하는 웹기반 부품뱅크 소프트웨어를 구축 중에 있다. 또한 정량화된 부품들의 조합을 통해 설계된 새로운 유전자회로를 시뮬레이션하는 기능을 제공한다.

진행중 과제
  • 인공유전체 기반 미생물 컨소시엄 제어 합성생물학 기술 개발 / 2018.04 ~ 2026.12 / 과학기술정보통신부
  • 메탄가스 기반 C4화합물 생산 미생물 복합공정 기술 개발 / 2018.04 ~ 2024.02 / 과학기술정보통신부
  • C1탄소의 대사전입을 위한 C-C결합 생성용 생촉매 개발 / 2018.04 ~ 2024.02 / 과학기술정보통신부
  • 지능형 유전자회로 이용 초고속 바이오촉매기술 개발 / 2018.03 ~ 2021.02 / 과학기술정보통신부
  • 질병의 예방, 조기진단, 치료를 위한 액적시스템 기반 스마트 인공세포 개발 / 2018.03 ~ 2021.02 / 과학기술정보통신부
  • 유기인계 특이적 감지용 유전자회로 구축 및 저가형 잔류농약 감지 키트 개발 / 2018.01 ~ 2020.12 / 농촌진흥청
  • DDT 인지리간드를 활용한 DDT감지 가시화 기술 및 감지 키트 개발 / 2018.01 ~ 2020.12 / 농촌진흥청
  • 유전자회로용 Queueing networks 개발을 통한 세포 반응 학습 및 행동 예측 / 2017.03 ~ 2020.02 / 과학기술정보통신부
  • 산업용 D-Amino acid 제조 바이오촉매기술 개발 / 2017.03 ~ 2019.12 / 과학기술정보통신부
  • 슬러지 에너지화 경제성 향상을 위한 에너지전환율 25% 향상 슬러지 가용화용 효소 재설계 및 bio-augumentation 기술 개발 / 2016.05 ~ 2019.04 / 산업자원통상부
  • 바이오부품/회로 및 합성생물학 기술 개발사업 / 2015.01 ~ 2018.12 / 과학기술정보통신부