고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 오민규 교수 연구팀이 CRiSPR-Cas9 시스템 기반 고효율 방선균 유전체 편집 기술을 개발해 미생물 유래 천연물 의약품 발굴 및 산업화를 앞당겼다.

*CRISPR-Cas9 시스템: Clustered regularly interspaced short palindromic repeat(CRISPR)-CRISPR associated protein 9(Cas9) 시스템은 single guide RNA(sgRNA)가 부착되는 서열만을 특이하게 잘라 유전자 조작을 진행할 수 있게 하며 높은 대상 특이성과 쉬운 활용법으로 다양한 연구에 활용되고 있음.

 

이번 연구 성과는 국제적인 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 에 연구논문(research article)으로 지난 1월 21일(화) 게재되었다.

*논문명: Engineered CRISPR-Cas9 for Streptomyces sp. genome editing to improve specialized metabolite production

*URL: https://www.nature.com/articles/s41467-025-56278-y

 

 

▲(왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 오민규 교수 

                   화공생명공학과 김덕균 박사과정생

 

최근 유전체 염기서열 분석기술의 발달로 미생물 유전체 내 생합성 유전자군의 서열 데이터가 대량으로 축적됨에 따라, 이를 활용해 미생물 유래 신규 천연물 의약품 발굴 연구가 활발히 이루어지고 있다.

*생합성 유전자군: 복잡한 구조의 이차대사물질을 합성하기 위해 필요한 다수의 유전자가 유전체 내에 클러스터화되어 모여있는 부분을 일컫는 용어

 

 특히, 토양에서 자라는 그람 양성균인 방선균은 생합성 유전자군을 다수 보유하고 있다. 방선균에서 생산되는 천연물의 경우, 현재 시장에서 판매되고 있는 항생제, 항암제, 면역억제제 등 미생물 유래 천연물 의약품의 약 60%에 해당하는 등 해당 분야 발전에 주요한 균주로 떠오르고 있다.

 

 하지만 방선균의 유전체의 GC 비율이 70% 정도로 매우 높아 유전자 조작의 효율이 낮으며, 생장 및 천연물 생산 조건이 매우 까다로워 천연물 의약품 후보물질의 발굴 및 생산 연구에 여러 어려움이 상존한다.

* GC 비율: 유전체를 구성하고 있는 염기인 A, T, G, C 중 G와 C가 차지하는 비율. A:T 쌍은 2개의 수소결합을 하는 반면 G:C 쌍은 3개의 수소결합을 하여, 이 비율이 높아질수록 유전자 쌍의 결합력이 강해지고 유전자 조작의 난도가 증가함

 

 이에 오민규 교수 연구팀은 Cas9 단백질 개량으로 높은 GC 비율을 갖는 방선균 유전체에 최적화한 유전체 편집 기술 개발을 시도해, 고효율 고속 방선균 유전자 조작 및 천연물 생산량 증가 연구를 진행했다. 기존 Cas9 단백질은 비표적 서열에 대한 높은 절단 효율로 인해 방선균에서 강한 세포독성을 보였는데, 연구팀이 개량한 Cas9-BD 단백질은 이 문제점을 해결하여 방선균 유전자 편집 효율을 극대화했다.

 

 또한, 세포 내 생합성 유전자군 포획법이라는 새로운 기술 개발로 발현이 힘든 거대 생합성 유전자군을 효율적으로 이종 균주에 옮겨 천연물을 대량 생산할 수 있도록 하였다. 연구팀은 그동안 GC 비율이 높은 방선균에서 매우 비효율적이었던 유전체 편집 기술을 개량하여 빠르고 쉬운 유전자 조작 방법을 제시하였으며, 이는 미생물 생합성 유전자군 염기서열 데이터를 활용한 신규 천연물 의약품 발굴 가속화에 기여할 것으로 기대받고 있다.

 

 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 바이오의료기술개발사업과 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.

 

△그림〕 CRISPR-Cas9 시스템 개량을 통한 방선균 유전자 조작 및 천연 의약품 생산량 증가