대사공학

대사공학이란 대사 물질의 생산경로 조작을 통해 목적 대사물질의 생산을 최적화 하는 기술을 의미한다. 대사공학은 생산경로 유전자의 과발현, 경쟁경로 유전자의 제거, 또는 외래 유전자의 도입 등을 통해 미생물이 가지고 있는 고유의 대사 경로를 변형 시킴으로써, 원하는 산물의 생산을 극대화 시키는 방향으로 진행된다. 미생물을 이용해 생산 가능한 다양한 화학물질들은 에너지, 식품, 의약, 화장품, 화학산업 등에 널리 활용된다.

대사공학을 이용한 유용 화학물질 생산 (출처: 박성희, 한지숙 /서울대학교)

목차

인간은 기원전 수천 년 전부터 와인, 맥주, 요거트 등 발효식품의 생산에 미생물을 활용하여 왔다. 이후 미생물의 존재가 알려지면서 알코올, 식초, 글리세롤, 구연산, 젖산, 항생물질 등이 미생물을 이용해 생산되기 시작하였다. 초기에는 주로 자연상태에 존재하는 미생물들을 스크리닝하거나, 무작위적인 돌연변이를 유도한 후 생산이 증대된 균주를 선별하는 방식으로 균주 개량이 이루어져 왔다.

1976년 유전자재조합 기술의 등장으로 인해 대사 회로의 유전조작을 통해 균주를 개량하는 대사공학방법이 균주 개량의 커다란 흐름으로 자리잡게 되었다. 또한 유용 화학물질 합성에 필요한 외래 유전자를 유전조작이 용이한 대장균이나 효모에 도입함으로써 미생물이 자연적으로 생산하지 못하는 화학물질을 생산하는 것도 가능해졌다. 시스템생물학을 통해 미생물의 대사 네트워크에 대한 이해의 폭이 넓어지고, 유전자 조작 기술과 DNA 합성 기술이 획기적으로 발전함으로써 대사공학의 기법은 빠른 속도로 진보하고 있다.

유전자 재조합 기술을 이용하여 특정 대사경로의 강화 및 억제, 또는 새로운 대사경로 도입을 통해 목적 산물 생산을 위한 미생물의 대사흐름을 조절 할 수 있다. 유전자 발현 조절을 위해 유전자 코돈을 숙주 세포에 최적화하거나, 다양한 프로모터를 이용한 발현 조절이 이루어지며, 다양한 발현 벡터와 유전자 변형 및 제거 기술 등이 사용된다.

미생물의 대사 경로는 효소에 의해 일어나므로 자연상태에 존재하는 효소보다 기능이 향상된 효소를 사용한다면 대사 산물의 생산을 증대시킬 수 있다. 단백질에 돌연변이를 도입하여 원하는 형질을 가진 단백질을 만드는 것을 단백질 공학이라 하며 이를 효소에 적용시킬 경우 효소공학이라 한다.  효소공학에는 논리적 접근법과 무작위적 접근법이 사용된다. 논리적 접근법의 경우 해당 단백질의 구조 정보를 바탕으로 특정 위치에 돌연변이를 도입하여 효소활성이 증가되거나, 활성을 억제하는 feedback inhibition이 제거된 단백질을 만들게 된다. 이 때 컴퓨터 모델링을 통한 구조 예측 방법이 많이 활용된다. 무작위적 방법은 방향적 진화 (directed evolution)로 불리는데 주로 무작위적 돌연변이의 도입(random mutagenesis)을 통해 다양성을 가진 진화 라이브러리를 제작 한 후 원하는 특성을 가진 효소를 스크리닝하거나 선택의 과정으로 이루어진다. 

효소공학을 이용한 효소 개량. (출처: 박성희, 한지숙 / 서울대학교

생물체에서 일어나는 모든 반응들은 독립된 현상이 아니라 서로 연결되어 상호 조절되고 있으므로, 부분적인 대사경로에 대한 정보는 효율적인 대사공학에 있어 제한요건으로 작용한다. 따라서 전사체, 단백질체, 대사체 분석과 같은 오믹스 분석을 통해 세포 전체 시스템 수준의 조절 네트워크를 이해하고자 하는 시스템생물학(systems biology)이 대사공학에 활용되고 있다. 또한 대사흐름(metabolic flux)분석, 컴퓨터를 이용한 대사 모델링 등이 효율적인 대사공학 전략 수립에 기여하고 있다.

합성생물학은 지금까지 알려진 생명 정보와 생물학적 구성요소 및 시스템을 토대로, 새로운 생명 정보 및 시스템을 구축하는 학문이다. 자연계에 존재하는 다양한 조절 기작들이 밝혀지면서, 다양한 유전자 발현 조절 요소들의 조합을 통해 원하는 방향으로 생명현상을 조절하는 합성생물학의 개념이 등장하였고, 대사공학에 있어서도 합성생물학의 방법론이 도입되어 균주 개발 기법이 다양화되고 있다. 

한지숙/서울대학교

최형태/강원대학교