서울대학교 “시스템 및 합성생물학 연구실” (서상우 교수)

연구실 개요

서울대학교 화학생물공학부 시스템 및 합성생물학 연구실 (Systems and Synthetic biology Lab)에서는 C1 가스의 한 종류인 메탄 (Methane)을 탄소원으로 하여 생장하는 메탄자화균을 산업 균주로써 사용할 수 있도록 하기 위한 시스템생물학, 합성생물학적 연구를 진행하고 있다. 신규 분리 동정된 메탄자화균을 융합 오믹스 분석하고, 기존 및 신규 메탄자화균에 적용할 수 있는 합성생물학적 분자 도구를 개발하는 연구를 진행하고 있다.
시스템생물학적 연구의 일환으로 진행 중인 융합 오믹스 분석 연구를 통해, 신규 메탄자화균이나 다양한 박테리아 및 효모의 유전적, 생리적 특성을 파악하고 있다. 또한 특정 배양 조건에서 스트레스를 받은 균주 혹은 엔지니어링된 균주에서 변화된 특성을 융합 오믹스 분석으로 파악하여, 합성생물학적 연구의 방향을 제시하거나 반대로 합성생물학적 연구 결과의 해석을 하는 연구도 진행 중이다 (그림 1).
합성생물학적 연구로는 미생물 개량을 위한 분자조절 도구를 개발하고 있다. 특히, C1 가스로부터 고부가가치 물질들로의 효율적인 생물 전환을 위해, 메탄자화균 내에 도입할 수 있는 생체 센서를 개발하고 있다. 이를 통해 대사 산물을 생산하도록 엔지니어링된 메탄자화균의 생산능을 높이거나, 특정 배양 환경에서 메탄자화균의 대사 경로를 원하는 방향으로 바꿀 수 있도록 하는 연구를 진행 중에 있다.

주요 연구내용 소개

1. 시스템생물학적 연구

1) 신규 메탄자화균에 대한 융합 오믹스 분석 방법 구축 및 전사 조절 네트워크 분석
신규 메탄자화균 내 생체 시스템의 조절 네트워크를 이해하고자, 면역침강법을 이용한 시퀀싱(Chromatin ImmunoPrecipitation sequencing, ChIP-seq)을 하여 메탄자화균 유전체 상에서 다양한 전사인자의 결합 위치 및 결합 모티프 분석을 진행하고 있다. 또한 ChIP-seq 데이터를 전사체 분석 결과(RNA-seq)와 종합하여 전사인자들의 레귤론을 규명하고 전사 조절 네트워크를 분석하고 있다 (그림 2). 이 외에도 메탄자화균에서 다양한 오믹스 분석을 진행하기 위해 전사개시위치나 번역체에 대한 오믹스 분석 방법을 구축하고 진행 중에 있다.

2) 다양한 미생물의 융합 오믹스 분석
대장균의 다양한 전사인자들의 전사조절 네트워크 규명을 시작으로, 해양미생물의 유전체 및 전사체 분석, 미세중력에서의 대장균 전사체 변화, 특정 배양 환경에서 적응진화시킨 박테리아들의 유전체 변화, 적응진화로 인해 발생한 돌연변이 전사인자의 레귤론 변화 등을 융합 오믹스 분석을 통해 진행하고 있다. 이와 함께 유용한 대사 산물을 생산하는 효모의 유전체 및 전사체 분석도 진행하고 있다.

A) 미세중력 환경에서 유익균의 융합 오믹스 연구
우주비행의 가시화로 인해 미세중력 환경이 장내 마이크로바이옴에 미치는 영향에 대한 연구가 요구되고 있으나, 현재까지는 병원균 독성 증가 현상 등의 거시적인 관찰이 주를 이루고 있다. 이에 본 연구실에서는 미생물 생리활성 변화에 대한 이해도를 높이고, 유해미생물 또는 유해인자의 제어방법을 개발하기 위해 미세중력 환경에서의 프로바이오틱스 유익균 융합 오믹스 연구를 진행 중이다 (그림 3).

2. 합성생물학적 연구

1) 메탄자화균 내에서 유전자 발현을 조절 가능한 생체 센서 제작
특정 분자를 인지하거나 환경의 변화를 감지하여 유전자 발현을 조절하는 전사인자나 리보스위치(riboswitch)를 사용해서, 메탄자화균 내에서 작동하는 생체 센서를 제작하는 연구를 진행 중에 있다 (그림 4). 대장균 등 산업 균주에서 기 사용되고 있는 생체 센서를 메탄자화균에 최적화하였으며, 생체 센서를 통해 다량의 대사 산물을 생산하는 메탄자화균을 선별하거나 적응진화를 하는 연구도 계획하고 있다. 이를 통해 C1 가스로부터 고부가가치 화합물을 저비용 고효율로 생산할 수 있는 메탄자화균 개발을 하고 있다.

2) 다양한 미생물에 적용할 수 있는 생체 조절 분자도구 제작
A) CRISPR/dcas9을 활용한 전사 단계 발현량 조절
미생물을 개량하기 위해 필요한 발현량 예측 및 제어 기술 중 CRISPR/dCas9 system은 endonuclease 기능이 없는 dCas9이 목표 DNA에 붙어 RNA polymerase의 결합 및 진행을 막는 방법이다. 본 연구실은 전사 과정을 On/Off 두 단계로만 조절 가능한 기존의 시스템에서 다양한 정도로 억제 (repression)가 가능하게끔 E. coli BL21(DE3)에서 연구를 수행 중이다. dCas9과 sgRNA의 결합에너지가 달라지도록 guide RNA의 모듈성을 지닌 서열를 찾아 다중 유전자 발현 제어로 확장을 목표로 두고 있다.
B) One-step 무항생제 플라스미드
플라스미드 선별지표로 흔히 기용되는 항생제는 대량 생산 공정 중 제품 오염, 그리고 세포 간 복제 수 격차로 인한 생산성 저하를 나타내는 등의 문제를 수반한다. 본 연구실에서는 포항공대의 정규열 교수님과의 공동연구를 통해, 세포 성장에 따라 플라스미드 복제수의 정량 조절이 가능함과 동시에 항생제 이외의 새로운 제어인자군을 선별지표로 사용한 무항생제 플라스미드를 개발하였다 (그림 5). 현재 대장균 이외의 여러 균주에서 적용하고, one-step으로 실험기간을 단축할 수 있는 연구를 진행 중이다.
C) 전사/번역 비동조 인공시스템
전사와 번역이 동시에 일어날 수 있는 원핵세포는 불완전 전사체의 번역을 검열하지 못하기 때문에 세포자원을 낭비하기도 한다. 본 연구실은 3’말단 및 종결코돈이 온전한 전사체에서만 번역 개시가 허용되는 toehold switch 기반의 회로를 개발하여 다양한 단백질들의 생산 효율 향상을 목표로 연구 중이다 (그림 6).

연구실 구성원

현재 시스템 및 합성생물학 연구실은 박사 후 연구원 1명, 석박사통합과정 12명, 박사과정 2명, 석사과정 1명, 그리고 연구 참여 학생 3명으로 구성되어 있다. 현재 C1 가스리파이너리사업단을 포함한 정부 및 민간 과제를 수행하고 있으며, 2016년에 연구실을 개시한 이래 20 여건의 SCI급 논문을 게재하는 등, 활발한 연구가 이어지고 있다.