KAIST 시스템 및 합성생물학 연구실

연구실 개요

KAIST 생명과학과 시스템 및 합성생물학 연구실(Systems and Synthetic Biology Laboratory)에서는 미생물 유전체, 전사체, 번역체, 전사유닛, 단백체, 대사체 등의 대용량 다중오믹스 정보를 기반으로 전사 및 번역 조절, 대사경로 등의 생체회로(biological circuit)를 게놈수준의 네트워크(genome-scale network)로 구성하고, 이를 바탕으로 생명현상을 이해하는 시스템 생물학(systems biology) 연구를 수행하고 있다. 또한, 이를 공학적 관점에서 재해석하여 친환경 화학소재, 의약품, 기능성물질 등을 고효율로 생산할 수 있는 최적의 인공유전체를 설계·구축하는 합성생물학(Synthetic biology) 연구 주제들을 진행하고 있다. 현재, 본 연구실은 C1 가스리파이너리 사업단의 지원을 받아, CO 가스 고정 균주의 다중오믹스 분석 및 인실리코 대사 모델링을 통한 대사흐름 예측, 다중유전체편집 기술을 적용한 고효율 CO 전환 플랫폼 균주를 설계·구축하는 연구를 진행 중이다. 또한, 고도화된 합성생물학 기술을 적용하여 젖산과 같은 바이오케미컬 물질로의 고효율 전환이 가능한 원천기술 확보를 목표로 연구활동 중이다(Figure 1).

주요 연구 내용 소개

아세토젠은 Wood-Ljungdahl pathway라는 독특한 CO/CO2 고정 회로를 가지고 있어, 합성가스 및 부생가스 내 CO 혹은 CO2를 고정할 수 있는 바이오촉매로서 가능성이 높은 개체들이다. 특히, CO/CO2 고정과정은 CO/H2의 비율이나 불순물들 함량에 크게 영향을 받지 않으며, 고온∙고압과 같은 특수한 반응환경 조성이 필요 없고, CO의 함량이 낮은 일부 부생가스에서도 활용이 가능하다는 장점이 있다. 바이오촉매로써 이러한 아세토젠을 이용하면 CO 가스를 생체 내 중요 대사전구체인 acetyl-CoA로 전환할 수 있으며, 이를 원료로 대사공학적 접근을 통해 다양한 고부가가치 화합물의 생산이 가능하다.

1. 다중오믹스 기반 CO 고정 기작 규명 및 고효율 CO 전환 균주 설계·구축

본 연구실은 CO 가스 고정 및 바이오화합물 생산을 위한 아세토젠 균주 개량을 위해 균주 내 생체회로를 파악하고, 작동 및 조절 메커니즘을 규명하고자 시스템 생물학적 접근을 통한 아세토젠의 CO 대사메커니즘에 대한 이해 및 재구축을 1차 목표로 설정하였다. 이를 위해, 해당 균주 유전체의 유전자 암호화 영역, 전사시작점 및 종결점, 필수 유전체 영역, 전사체 발현, 단백질 번역 등의 메타스트럭쳐 시스템 정보를 얻고, 이를 가상의 세포모델로 표현 및 수치화하여 표현형을 예측하는 연구를 진행 중이다. 또한, CO 가스 조건에서의 아세토젠 균주의 적응진화를 통해 CO 고정 효율이 높은 균주를 발굴하고, CO 고정 메커니즘의 효율증대에 관한 유전자 변이주를 확보하고자 해당 연구를 진행 중이다. 더불어, CRISPRi/a와 guide RNA library를 토대로 CO 가스 조건에서의 해당 아세토젠 균주 내 필수/비필수 영역 및 개량 유전자 후보군을 유전체 수준에서 선별하고, 유전체 편집기술을 이용하여 고효율 CO 고정 플랫폼 균주를 설계 및 구축하고자 한다(Figure 2).

2. 고효율 CO 전환 및 대사 균주 기반 젖산 생합성 균주 구축

다중오믹스 및 대사네트워크 분석을 통해 구축된 고효율 CO 고정 플랫폼 균주를 기반으로 고부가가치 바이오화합물 생산이 가능한 인공유전체 구축을 2차 목표로 설정하였다. 이를 위해, 합성생물학 기술기반으로 젖산 생합성 대사회로 구축에 필요한 고효율 유전자를 발굴하고 이를 바이오파트/모듈화 하여 젖산 생합성 네트워크를 재구축하고 있다. 이와 함께 젖산 농도에 반응하여 형광을 발현할 수 있는 젖산 생합성 감지 유전자 회로를 설계 및 구축하고자 한다. 마지막으로, 다중오믹스 및 대사네트워크 모델을 통해 젖산 고생산 유전체 변이주를 선별하고, 고효율 CO 전환 플랫폼 균주를 기반으로 다중유전체 편집기술을 적용해 해당 유전체 변이주를 도입하여, 최종적으로 고효율 CO 전환/젖산 생합성 인공유전체를 구축하고자 한다.

연구실현황