초록 ▼

○ 연구개요
전 세계적인 환경문제, 한정된 자원고갈, 친환경 에너지원에 대한 수요로 인해 재생산 가능한 생물체 기반의 세포 공장 구축에 대한 관심이 증가하고 있다. 이런 세포 공장이 목적대사산물 (바이오 에너지, 친환경 화학 물질, 신약 제재 등)을 높은 효율로 생산하기 위해서는 대사 흐름의 최적화가 필수적이며, 이는 결국 필요한 단백질의 발현을 최적화하는 것이 중요하다. 기존의 유전자 발현 조절은 RNA 2차 구조에 의해 그 발현량을 예측하기가 쉽지 않고, 유전자별로 발현율을 일일이 조절해야 한다는 한계점이 있다. 따라서 본

○ 연구개요
전 세계적인 환경문제, 한정된 자원고갈, 친환경 에너지원에 대한 수요로 인해 재생산 가능한 생물체 기반의 세포 공장 구축에 대한 관심이 증가하고 있다. 이런 세포 공장이 목적대사산물 (바이오 에너지, 친환경 화학 물질, 신약 제재 등)을 높은 효율로 생산하기 위해서는 대사 흐름의 최적화가 필수적이며, 이는 결국 필요한 단백질의 발현을 최적화하는 것이 중요하다. 기존의 유전자 발현 조절은 RNA 2차 구조에 의해 그 발현량을 예측하기가 쉽지 않고, 유전자별로 발현율을 일일이 조절해야 한다는 한계점이 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해서 어떠한 유전자를 도입하더라도 정해진 단백질 발현량을 보임으로써 누구나 편리하게 사용할 수 있는 유전자 발현 조절 시스템을 개발하고자 한다. 목표 유전자에 대한 다양한 발현율을 보이는 맞춤형 라이브러리를 개발하고 이를 이용하여 산업적, 의학적으로 유용한 물질을 생산 또는 증산하는 균주를 개발하고자 한다.

○ 연구 목표대비 연구결과
1차년도에는 최적의 leader sequence길이를 결정하고, leader sequence의 서열은 다양한 실험 목적에 맞도록 특정 기능을 갖는 functional domain을 도입하여 구성하였다. 이렇게 구성된 translation initiation region (TIR) 에 다양한 세기를 갖는 프로모터를 도입함으로써 보다 폭넓은 범위에서 단백질이 발현되는 cassette (목표 벡터 20종; 결과 벡터 24종: 100%달성) 을 개발하였다. 성능 확인을 위해서 특정 유전자 발현양을 조절함에 따라 이와 연동되어 작동되는 여러 유전자들의 발현양에도 영향을 미치는 합성 유전자 회로를 제작 및 적용하여 다양한 합성 생물학에의 활용 가능성을 제시하였다.
2차년도에는 유전자 발현 조절 시스템을 실제 생산 균주에 적용하여 활용 범위를 넓혔다. 그 활용예 (목표 생산균주 2종; 결과 생산 균주 3종: 100%달성)로서, 산업적, 의학적으로 유용한 화학물질들인 카다베린, 프롤린, 프로판올 재조합 대장균에 본 과제에서 개발한 유전자 발현 라이브러리(목표 1건, 결과 1건: 100%달성)을 표적유전자 발현 조절에 적용하여 각 화학물질 생산능에 미치는 영향을 확인하였고, 각 표적유전자 발현을 최적화함으로써 1.31 g/L 의 카다베린 (71.7% 증산),2.59 g/L 의 프롤린 (28.2% 증산), 95.7 mg/L 의 프로판올 (기본균주와 유사)을 각각 생산하는 균주를 개발하였다.
3차년도에는 주요 산업용 미생물 (목표 1종, 결과 1종: 100%달성) 인 Pseudomonas putida의 유전자 발현 조절 시스템을 개발하였다. 최적의 leader sequence 길이를 실험적으로 선별하였고, 본 시스템이 P. putida 에서 잘 작동됨을 확인하였다. 이렇게 개발된 시스템을 산업적, 의학적으로 유용한 화학물질인 protocatechuic acid (PCA) 생산에 적용하기 위해 목표 유전자에 대한 라이브러리를 구축하였고, 이를 적용하여 야생형균주 대비 46% 증가된 생산능을 보이는 균주를 개발하였다.
이와 같이, 연구진은 본 과제에서 제시한 연구 목표 및 결과물들을 100% 달성하였다.

○ 연구개발결과의 중요성
본 기술 및 시스템을 활용하면 미생물 세포공장 개발을 보다 쉽고 간편하게 개발할 수 있기에 석유산업을 대체하여 산업적 화학물질을 환경 친화적으로 생산할 수 있고, 그 생산도 크게 증대시킬 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 의학적으로 유용한 물질을 생산 및 증산시키는 데 활용할 수 있고, 미생물을 통한 항생제 대량 생산에도 크게 기여할 수 있을 것이다. 합성 유전자 회로에도 적용함으로써 자연계내에 존재하지 않는 새로운 기능을 갖는 미생물 재설계를 통해 보다 혁신적인 연구 및 제품 개발도 가능하다. 그밖에, 미생물내 대사회로 조절 및 최적화에 관련된 여러 연구에도 적용할 수 있으며, 항생제 내성균내의 내성 억제 분야에도 활용이 가능할 것으로 보인다. 본 연구에서 개발되는 기술 및 이의 다양한 활용예시들은 연구실뿐만 아니라 산업계, 의학계에 몸담고 있는 모든 종사자들에게도 널리 활용되어 산업적, 의학적으로 큰 기여를 할 수 있을 것이라 기대한다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 2-1. Leader sequence 최소길이에 해당하도록 서열 결정 ... 6
• 2-2. 유전자 발현의 다양한 활용을 위한 구성 요소 선정 ... 6
• 2-3. 다양한 세기의 프로모터 (promoter) 와의 결합을 통한 발현 정도의 다양성 확보 및 일정한 유전자 발현 조절 여부 확인 ... 9
• 2-4. 유전자 발현 최적화 시스템의 합성 유전자 회로에의 적용예 ... 10
• 2-5. 유전자 발현 벡터를 이용한 카다베린 생산용 재조합 미생물제조 및 cadA 유전자 발현의 조절을 통한 카다베린 생산량 변화 확인 ... 11
• 2-6. 유전자 발현 최적화 벡터를 이용한 L-프롤린 (L-Proline) 생산용 재조합 미생물 제조 및 pp3533 유전자 발현의 조절을 통한 프롤린 생산량 최적화 ... 12
• 2-7. 유전자 발현 최적화 벡터를 이용한 프로판올 (1-propane) 생산용 재조합 미생물 제조 및 adhE 유전자 발현의 조절을 통한 프로판올 생산량 최적화 ... 13
• 2-8. 산업 미생물내의 유전자를 원하는 발현율로 조절하는 시스템 개발 ... 15
• 2-9. 산업 미생물내에서의 시스템 작동 여부 확인 및 이의 효용성 확인 ... 16
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 21
• 끝페이지 ... 27