고려대학교 “시스템생명공학연구실” (오민규 교수)

연구실 개요

미생물에 대한 유전자 단위의 이해 및 활용도가 비약적으로 증가함에 따라, 시스템 생명공학 연구실(Systems Bioengineering Lab)에서는 각종 산업부문에서 활용가치가 뛰어난 균주 개발연구를 진행하고 있다. 까다로운 산업 수요에 적합한 균주 개발연구를 위해, 본 연구실은 다양한 균주에 대한 시스템 생명공학적 접근을 시도하여 다방면의 성과를 내고 있다. 현재는 저렴한 C1 화합물을 용이하게 대사하여 바이오매스를 효율적으로 생산하는 균주의 개발, CRISPR/Cas 기술을 활용하여 효소개량 및 균주 내 환원력과 에너지를 제어해 대사 최적화 확립, 그리고 유용 이차대사산물 고생산률 달성을 위한 이종발현 연구 및 무작위적 돌연변이의 개발 등의 연구들이 중점적으로 진행되고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 미생물 발효공정을 통한 C1 화합물로부터 고부가가치 물질 생산

온실가스 등 전 세계적인 환경 문제로 인하여 C1 가스 활용의 중요성이 부각됨에 따라 본 연구팀은 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄 등으로부터 전환될 수 있는 C1 화합물인 개미산 및 메탄올을 탄소원으로 활용하여 고부가가치의 바이오화학물질을 생산하는 것을 목표로 하고 있다 (그림 1). C1 화합물의 바이오전환을 위해 메탄올 자화균 Methylobacterium extorquens을 이용하고 있으며, 배양공정 최적화 및 대사공학을 통해 바이오폴리머, 카로티노이드 등의 고부가가치 물질의 생산을 향상시키고자 연구를 진행하고 있다. 또한 단백질 엔지니어링을 통해 C1 화합물의 활용을 증대시키고자 모델링을 진행하고 있다 (그림 2).

한편으로는 자연계에 존재하는 개미산 활용 균주들은 대부분 낮은 성장속도와 유전자 조작이 어렵다는 단점이 있다. 이를 극복하고자 본 연구실에서는 유전자 조작이 용이한 대장균에 개미산 대사회로를 도입하여, 대사공학적으로 개량된 대장균이 glucose 등의 당 성분이 없는 조건에서도 개미산을 활용할 수 있도록 실험을 설계하고 진행하고 있다 (그림 2).

2. CRISPR/Cas 기술을 활용한 바이오화합물 생산플랫폼 구축

CRISPR/Cas 기술은 미생물의 유전체 내의 염기서열을 편집하는데 혹은 전사적 조절인자로 유전자의 발현을 조절하는데 효과적인 합성생물학 도구로 최근 각광받고 있다. 대사공학을 적용해 효율적인 바이오화합물 생산 균주를 구축하기 위해서는 미생물의 탄소 및 에너지의 흐름을 최적화해야 할 필요성이 있다. 본 연구실에서는 다양한 미생물균주 (Escherichia coli, Enterobacter aerogenes, Klebsiella pneumoniae, Saccharomyces cerevisiae 등)에 CRISPR/Cas 기술을 도입하여 다양한 목적산물 (2,3-butanediol, isobutanol, n-butanol, N-acetylglucosamine 등)의 생산성을 향상시키는 연구를 진행한다 (그림 3). 미생물의 해당과정 및 TCA 회로에 관련된 유전자의 발현량을 조절하여 탄소흐름을 제어하기 위해 주요 유전자의 발현량을 최적화하는 연구, 혹은 미생물의 에너지 대사와 관련된 전자전달계의 주요 유전자의 발현량을 제어하여 세포 내의 환원력 (NADH) 및 에너지 (ATP) 공급을 최적화 하는 등을 목표로 이러한 합성생물학 기술을 적용하고 있다.
본 연구실에서는 CRISPR/Cas 기술을 활용해 대사회로 상의 효소 활성을 엔지니어링 하는 것을 시도를 하고 있다 (그림 3). 대장균 내의 조효소들에 의한 Allosteric regulation을 완화하기 위한 효소개량, 오랜 기간 진화 결과 발현이 억제되어 활성이 저해되어 있는 유전자를 재활성화 하는 등의 시도를 하고 있으며, 또한 단백질의 구조 및 안정화 에너지 예측을 통해서 얻은 정보를 바탕으로 효소의 활성 및 안정성을 강화하거나 효소의 기질 특이성을 완화하여 다양한 기질을 사용할 수 있는 효소를 개발하는 연구도 시도하고 있다.

3. 방선균 유래 유용 이차대사산물 생산

방선균(Streptomyces sp.)은 복잡한 이차대사과정을 통해 항생제, 항진균제, 항암제를 비롯한 다양한 생리활성물질을 생산한다고 알려진 균주이다. 그러나 야생형 방선균 균주에 의한 이차대사산물 생산량은 극히 소량이기에 이로 인한 활성 검증 등이 매우 힘들다는 단점이 있다. 따라서, 이차대사산물 생합성에 관여하는 유전자 클러스터를 비교적 배양 및 엔지니어링이 용이하다고 알려진 S. colicolor 등의 방선균 균주에서 이종 발현 시키고자 하는 연구들이 많이 이루어지고 있다. 본 연구실에서는 효모가 가지고 있는 뛰어난 상동 재조합 능력을 이용하여 클로닝을 수행하는 TAR 클로닝 등의 방법을 이용하여 이러한 다양한 방선균 유래 이차대사산물들을 생산하고자 연구를 진행하고 있다 (그림 4).

한편으로는 면역 억제제로 쓰이는 FK506, Rapamycin 등 유용한 이차대사산물을 대량생산하기 위하여 S. tsukubaensis, S. hygroscopicus 등의 방선균 균주에 무작위적 돌연변이를 도입한 후 고생산 균주를 선별하고 이 고생산균주의 유전체, 전사체, 대사체 분석을 실시하여 고생산균주의 대사변이를 연구하고 있다. 또한 적합한 배지조성 및 발효조건을 확립하는 연구를 진행하고 있으며 (그림 5), 이를 통하여 고부가가치 이차대사산물을 대량 생산할 수 있는 조건을 확립하고자 한다.

4. 탄소 동위원소 측정 기술 기반 활성 대사경로 분석 및 대사공학 전략 개발

탄소 동위원소로 표지된 기질을 세포에 공급해주고 이를 추적하여 세포 내 활성화된 대사경로들을 확인하는 연구를 수행하고 있다. 다수의 탄소원을 동시에 소비하는 배양 조건에서 유전형 변화에 따른 선호 탄소원의 변화를 추적하고 있으며 (그림 6), 정성적인 대사 분석에서 나아가 본 연구실에서는 13C Metabolic Flux Analysis (13C MFA)를 통해 세포 내 주요 탄소 대사 플럭스를 정량화하는 연구를 수행하고 있다 (그림 7). 이를 통해 유전형 변화에 따른 세포 내 대사 플럭스의 변화나 co-culture 환경에 있는 두 세포의 대사 플럭스 분포를 계산하고자 한다.

연구실 현황

시스템생명공학연구실은 오민규 교수님 지도 아래 현재 박사과정 7명, 석사과정 6명, 연구원 1명, 총 14명으로 구성되어 있으며 대사공학, Metabolomics 및 Fluxomics, 합성생물학 기반의 바이오화학물질 생산 연구를 진행 중이다. 2015년부터 현재까지 SCI급 논문 44편 게재, 국내특허 출원 14건 및 등록 7건, 해외특허 출원 1건 및 등록 1건 등의 연구실적을 쌓았으며 연구재단 지원 아래 5개의 과제를 진행 중으로, 활발하게 연구를 이어가고 있다.