우리 학교 생명과학과 조병관 교수와 캘리포니아 대학교 샌디에이고(UCSD) 생명공학과 버나드 팔슨 교수, 최동희 박사, 한국생명공학연구원 이승구 박사, 그리고 바이오융합연구소 조수형 교수의 국제 공동 연구팀은 대장균의 3' 비번역부위(3'-untranslated region, 3'-UTR)에서 1,629개의 전사종결부위를 찾고 미생물 대사 조절을 진행할 수 있는 바이오 부품화에 성공했다.
 

합성생물학과 미생물 대사 조절 밸브

 합성생물학은 생명 기작을 ‘발견’하는 생명과학에 ‘발명’을 위한 공학적 도구를 접목하여 인공적으로 생명 시스템을 구축 및 통제하는 차세대 생명공학 분야이다. 이를 도입할 경우, 인공적으로 원하는 표현형을 얻기 위해 시스템을 수정하거나 새로 구현할 수 있어 여러 산업 분야에서의 응용이 가능하다. 

 미생물은 단순한 전사, 번역 과정을 거치기 때문에 부품-모듈화, 표준화, 효율성에 이점이 있어 바이오 화합물 생산을 위한 도구로 자주 사용된다. 이때, 기존보다 효율적인 물질 생산을 위해서는 균주 모델 개발, 미생물 대사 조절이 필수적이다. 연구팀은 이번 연구를 통해 미생물 대사 조절에 응용될 수 있는 미생물 대사 조절 밸브 기술을 개발하는 데에 성공하였다. 이는 고부가가치 바이오 물질 생산에 필요한 미생물 시스템으로 높은 산업적 가치를 가진다.

3' 비번역부위 연구 한계 돌파에 기여한 머신 러닝 분석

 5' 비번역부위(5'-UTR)는 프로모터(promoter), 리보솜 결합 부위 (ribosome binding site), RNA 2차 구조 등 전사 및 번역에 중요한 조절인자가 존재하여 오랫동안 연구되었고, 다수가 이미 바이오 부품으로 개발되었다. 반면 3' 비번역부위는 실험적 한계와 부족한 연구로 전사, 번역에 미치는 영향이 명확히 규명되어 있지 않았다. 그렇기에 기존의 대사 조절 연구는 5' 비번역부위에 집중되었다. 그러나 5' 비번역부위 바이오 부품의 경우, 유전자 발현 조절에 고가의 시약이 요구되거나 실험 별 편차가 크다는 한계가 존재했다.

 연구팀은 5' 비번역부위 바이오 부품 대체를 위해 3' 비번역부위 분석 한계를 극복할 연구에 돌입했다. 종결인자 염기서열결정(Term-Seq)을 이용하여 RNA 전사물(transcript)의 3' 말단 서열을 읽음으로써, 대장균에 존재하는 1,629개의 전사종결부위를 해독하였다. 이후, 얻은 전사종결부위의 정보를 파악하기 위해 분석을 진행했다.

 세균에서 RNA 전사 종결은 2가지로 구분된다. Rho 인자-의존적 전사 종결(Rho-dependent termination)과 Rho 인자-비의존적 전사 종결(Rho-independent termination)이다. 후자의 경우, 3' 말단에서 머리핀(hairpin) 구조를 만듦으로써, RNA 중합효소를 DNA로부터 분리한다. 이때, 나타나는 특징인 높은 GC 값(Guanine-Cytosine content), 연속된 U 서열 등 근거에 기인하여 전사종결부위를 찾을 수 있다. 하지만 이런 정보를 이용하면 Rho 인자-의존적 전사 종결 혹은 우리가 알지 못하는 전사 종결에 대한 분석이 불가능하기에 머신 러닝 분석을 설계 후, 분석을 진행하였다. 그 결과, 407개의 Rho 인자-비의존적 전사종결부위 및 전이 RNA(transfer RNA), 리보솜 RNA(ribosome RNA) 등 기능 RNA에 존재하는 413개의 전사종결부위, 809개의 전사종결부위(non-canonical type)을 발견할 수 있었다.

전사종결부위의 성능과 응용

 연구팀은 발견한 전사종결부위를 바이오 부품으로 제작 후, 기존 5' 비번역부위 바이오 부품과 비교하였다. 그 결과, 유전자 발현 조절에 있어 발생하는 실험 편차가 기존보다 4.07배 낮은 우수성을 확인하였다. 또한, 비타민 B8(미오-이노시톨) 생산 과정의 대사 조절 밸브로 설계한 결과, 5' 비번역부위 대사 밸브 시스템보다 11배 높은 생산량을 얻을 수 있었다. 3' 비번역부위를 통한 대사 조절 밸브의 실험 간 낮은 편차는 미생물의 생장 환경, 배지의 양분에 받는 영향이 매우 적음을 나타내므로 산업적으로도 유용한 특성을 가지고 있다.

 조 교수는 각 연구실의 전문성에 입각한 공동 연구가 좋은 결과를 낳았다고 밝혔다. 또한, 기초 없이는 생명과학의 발견도, 합성생물학의 발명도 할 수 없기에 기초를 쌓아야 함을 강조하였다. 동료 및 후배 과학자가 생명과학 연구에 있어, 물리, 수학, 화학, 컴퓨터 시뮬레이션 등을 도입한 다각도의 접근을 통해 풍성한 연구를 하길 기원한다고 전했다.