합성생물학

합성생물학은 현재까지 알려진 생명정보와 생물 구성요소 및 시스템을 바탕으로 기존 생물 구성요소 및 시스템을 모방하여 변형하거나, 기존에 존재하지 않던 생물 구성요소와 시스템을 설계, 구축하는 학문이다. 타이어, 차체 등의 부품을 기반으로 자동차를 제조하듯, 합성 생물학은 공학적 개념을 도입하여 ‘표준화된’ 생물학적 부품을 이용하여 새로운 생물 구성요소 및 생물 시스템 자체를 합성하는 분야이다.

합성생물학 (출처: GettyimagesKorea)

목차

유전자의 기능과 발현조절 기작이 알려지면서, 분자 수준의 구성물질을 바탕으로 새로운 조절 시스템을 조합할 수 있다는 합성 생물학의 기본 토대가 마련되었다. 합성 생물학은 DNA 염기서열 분석방법과 DNA 합성 및 재조합기술을 기반으로 한다. 1970년대와 1980년대에 들어서면서 유전자 재조합 기술과 PCR기술이 등장하였고, 1990년대에는 자동화된 DNA 합성기 및 염기서열 분석기가 도입되었고 대사체 분석기술도 발전했다. 2000년대에 들어 인간게놈을 비롯한 수많은 생물체의 유전체가 규명되면서 유전자원에 대한 정보도 기하급수적으로 증가하고 있고 DNA 합성 및 염기서열 분석의 비용은 감소하고 있다. 따라서 새로운 유전자 발현 조절 시스템을 디자인하고, 합성하고, 검증하는 Design-Build-Test 순환을 통해 새로운 생명 시스템을 구축하는 합성생물학의 발전이 가속화되고 있다.

탑다운 방식은 기존에 존재하던 생명체의 유전자를 이용, 변형하여 새로운 생명 시스템을 구축하는 방식이다. 유전자와 유전자 조절기작을 구성하는 프로모터, 터미네이터, 리보솜 결합부위 등을 조합하여 새로운 유전자 회로를 만들고, 이를 기존 생명체에 도입함으로써, 새로운 기능을 가지는 생명체를 제작하거나, 대사산물을 생산하는 방식이다.

Bottom-up 방식은 화학적인 물질에서 시작해 생명체의 구성물질을 만들어 내는 방식이다. 한 예로 2016년 크레이그 벤터 (Craig Ventoer) 그룹은 DNA 합성을 통해 473개의 최소 유전자로만 이루어진 합성 세균을 만들어 내었다.

합성생물학은 미생물을 이용한 바이오연료 및 다양한 화학물질 생산에 활용될 수 있다. 대사산물 합성 경로의 유전자 조작을 통해 목적 대사산물의 생산을 증대하는 방법을 대사공학이라고 하는데, 합성 생물학은 대사공학에 적용되어 효과적인 생산 균주 제작에 활용될 수 있다. 미생물을 이용해 생산되는 화학물질은 바이오 에탄올, 부탄올 등 바이오연료 뿐 아니라 식품, 화장품, 의약 산업에 활용가능한 다양한 고부가 화학물질을 포함한다.

세포는 주변 환경의 신호에 따라 항상성을 유지하는 조절 기작을 가지고 있는데, 이에는 특정 환경 물질과 민감하게 결합하여 신호를 감지하는 구성요소와 신호를 필터링 하여 세포 반응을 유도하는 모듈 등을 포함하고 있다. 합성생물학은 이러한 구성 요소들을 활용하여 다양한 화학물질을 감지하여 형광이나 색을 띠게 하는 인공적 유전자 회로를 디자인하고 이를 미생물에 도입함으로써 바이오센서를 제작하는데 활용될 수 있다.

현재의 기술수준은 기존 생물체의 구조나 기능을 활용하지 않고 생명체를 만들어 낼 수 있는 정도에 도달하지는 않았지만 앞서 언급된 합성세균은 합성생물학을 통해 새로운 생명체의 설계 및 합성이 가능할 수 있다는 기대를 갖게 하였다. 2017년에는 효모 Saccharomyces cerevisiae의 염색체 일부를 합성 DNA를 이용해 재설계하여 원래의 염색체와 치환하는 연구 결과가 발표되기도 하였다.

531,490 base pair와 개의 유전자로 이루어진 합성 미생물 (출처: 한국미생물학회, 미생물학, 2017, GettyimagesKorea)

한지숙/서울대학교

최형태/강원대학교