한국생명공학연구원 바이오합성연구센터 (Dr. 이승구)

연구실 개요

KRIBB 바이오합성센터는 미생물기반의 실용적 합성생물공학을 중점으로 연구하고 있으며, C1사업단에는 메탄을 메탄올로 전환하는 바이오촉매기술 개발에 참여하고 있다. 이 연구는 대장균, 효모 등 일반 미생물에서도 활성을 갖는 재조합 메탄산화효소(sMMO 혹은 pMMO)를 개발하려는 것으로 바이오기반 C1리파이너리를 위한 획기적인 돌파구가 될 것이라 보인다. 큰 기대에 따라 이 효소의 기능, 구조에 대한 많은 연구가 진행되었으나 여전히 효소반응 기전이 불확실하며 특히 재조합 발현 및 효소개량은 거의 미개척 분야나 다름이 없다. 이는 다중합체 형태로 이루어진 메탄산화효소의 복잡한 특성으로, 전자전달, 산소활성화, C1기질결합, 상호작용조절, 숙주의존성 발현 등을 모두 만족하는 활성형 재조합 발현이 어렵기 때문이다. 본 연구팀은 다양한 산업적인 활용도가 높은 sMMO를 주 타깃으로 메탄산화효소의 재조합 발현에 도전하고 있다.

최근 본 연구팀은 효소활성을 단일세포 수준에서 초민감도로 측정하여 인공적으로 진화시키는 기술에 독창적인 진전을 이루어 왔으며 이 새로운 방식을 토대로 메탄전환효소 개발에서의 제약을 극복하고자 하였다. 즉 1) 고민감도 sMMO 감지기술 2) 다양한 sMMO 유전자군집(library) 구축 3) 고속탐색을 통한 인공진화 적용을 통하여 대장균에서도 효과적으로 활성을 나타내는 sMMO 개발을 위해 노력하고 있으며, 장기적으로는 4) 메탄을 유용물질로 전환하는 메탄자화대장균을 개발하고자 한다.

주요 연구내용 소개

고감도 단일세포 효소활성 분석기술

본 연구팀은 페놀, 니트로페놀 등의 방향족물질(aromatics)을 감지하는 전사인자(transcription factor)를 이용하여 단일세포 수준에서 타깃 효소의 활성을 고감도로 감지하는 새로운 유전자논리회로(GESS)를 개발하여 원천특허를 확보하고 있다. 이 기술은 측정하고자 하는 효소활성에 의해 방향족 물질을 생산하는 기질을 처리하여 cellulase, lipase, amylase, proteinase, oxidase, amidase 등 다양한 효소활성을 감지할 수 있으며, 본 연구에서는 벤젠 기질을 이용하여 sMMO 활성감지에 성공적으로 적용되었다 [그림1]. 이러한 미량활성을 FACS/이미징 기술로 측정 및 선별하면 대규모 유전자군집(>106)을 수분이내에 분석할 수 있으며 미세한 효소활성의 차이를 정량적 형광신호로 전환할 수 있다.

sMMO 가용화 라이브러리 및 효소 발현 기반 기술

sMMO는 다중합체 효소로 히드록실아제 (MMOH), 조절효소 (MMOB), 그리고 환원제 (MMOR)로 구성되어 있다. 본 연구실에서는 자연에서 발견되는 다양한 methanotroph 유전체들을 참고하여 sMMO을 구성하는 유전자 조합을 다양하게 변화시키고, 새로운 돌연변이를 도입하거나 특이 샤페론 유전자를 사용하는 등 다양한 유전자발현을 시도하고 있다. 동시에 항생제 없이도 장기간 안정적으로 재조합 유전자를 유지하는 발현기술을 확보하였다. 이 결과들은 sMMO 재조합 발현뿐만 아니라 바이오리파이너리를 성공적으로 달성하기 위한 다양한 목적에 유용하게 이용될 수 있는 기반기술로 판단되고 있다.

sMMO가용화 및 활성형 발현을 위한 고속탐색 및 인공진화 기술

본 연구팀은 고감도 초고속 탐색 기술과 재조합 발현 기술을 결합하여 재조합 sMMO 가용성 증대 및 활성형 발현 전략을 수립하였다 [그림2]. 이를 토대로 FACS이용 군집분석을 수행하였으며 재조합 sMMO 후보들을 획득하여 추가적인 검증 및 인공진화 적용을 추진 중에 있다. 이 결과들이 유의미한 것으로 판명되면 sMMO 활성증대 및 대장균을 이용한 바이오리파이너리 연구에 큰 모티브를 제공할 것으로 기대되고 있다.

C1가스유래 고부가 유용물질 생산을 위한 인공대사집적체 활용기술 (Metabolons)

자연 세포들은 연관된 기능의 단백질 및 효소들이 복합체를 형성하여 세포 내 특정위치에 코어를 유지하는 것으로 알려지고 있다. 이렇게 특정 대사활성이 집약된 다양한 소기관들은 해당 대사과정이 다른 대사활동들과 공간적으로 구분되게 해줌으로써 필요한 효소 및 대사과정의 선택적 활성화를 가능하게 해준다. 최근 메탄올 전환 경로 효소들의 집합체를 구축하였을 경우 세포내에 효소 활성이 증가 된 것을 보고되었다. 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. 이 기술은 메탄산화-세포동화-물질생산의 단계에 적용하면 효율적 바이오리파이너리에 도움이 될 것으로 기대된다.

연구실 현황

본 LAB은 바이오합성연구센터의 센터장인 이승구 박사, 정흥채 박사, 이대희 박사, 김하성 박사, 염수진 박사, 이혜원 박사 등 책임/선임/전임연구원 6인을 포함 박사급 9명, 연구원 4명, 박사과정 2명, 석사과정 2명 등 총 17명으로 구성되어 있다. 유세포분석기, 공초점 현미경 등 최고 수준의 미생물 연구관련 장비 및 기술을 보유하고 있으며 실용적 기술 개발을 통하여 기술이전 5건을 달성하는 등 우수한 성과로 이어지고 있다. 특히 유전자논리회로를 이용한 합성생물학 연구는 메탄전환효소 등 효소공학연구, 대사공학을 통한 바이오리파이너리 연구에서 영향력 있는 성과 창출에 기여할 것으로 판단되고 있다.