| 4개 효모 염색체 인공합성 쾌거로 '재창조 생명'의 신기원을 열어 | ||
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 최근 톈진(天津)대, 칭화대, 선전(深圳)화다(華大)유전자연구원은 16개 사카로미세스 세레비지에(S. cerevisiae) 총 16개 염색체에서 4개 진핵생물 사카로미세스 세레비지에 염색체를 드노보 디자인(de novo design)하여 화학합성하였다. 해당 성과를 담은 4편 논문은 2017년 3월 10일 국제 저명 학술지 'Science'에 표지 논문으로 게재되었다. 이는 원핵생물 염색체 합성에 이은 또 하나의 기념비적 성과로 '생명 설계·재창조·재구성'의 신기원을 열었다는 평가를 받았다. 합성생물학은 DNA 이중나선 발견, 인간게놈 프로젝트 다음의 제3차 생물기술 혁명으로서 게놈 설계·합성을 대표로 한다. 생물학계 분류 기준은 원핵생물과 진핵생물인데 진핵생물 유전자(DNA)는 원핵생물에 비해 풍부하고도 복잡하다. 유전물질인 DNA는 일반적으로 다양한 염색체에 나뉘어 있고 이러한 염색체는 세포핵 특정 영역에 깊이 감춰져 있는 관계로 진핵생물 게놈 합성은 매우 어렵다. 따라서 생물학 분야의 기술 혁명을 주도함에 있어 진핵생물 게놈 합성기술은 핵심적 역할을 한다. S. Cerevisiae 16개 염색체(길이 12Mb, 1Mb=100만 염기쌍) 전체에 대한 재설계와 합성을 목표로 하는 S. Cerevisiae 게놈 합성 프로젝트(Sc2.0프로젝트)는 합성 유전체학(Synthetic genomics) 연구와 관련한 대표적인 국제 협력 프로젝트로서 미국, 중국, 영국, 프랑스, 호주, 싱가포르 등 나라의 연구기관이 분업하여 협력하고 있다. 이번 국제 협력에서 총 5개 염색체를 화학합성하였는데 이중 중국 과학자가 완성 총량의 66.7%를 차지하는 4개를 합성하여 Sc2.0 프로젝트를 크게 추진하였다. 톈진대 위안잉진 연구팀은 5번, 10번(synV, synX) 염색체를 화학합성하였고 또한 고효율적 염색체 결함 표적 위치결정 기술 및 염색체 점돌연변이(Point Mutation) 복구 기술을 개발하였다. 연구팀은 길이가 770kb(1kb=1,000개 염기쌍)에 달하는 S. Cerevisiae 10번 염색체 합성 과정에서 게놈 결함 표적에 대한 쾌속 위치결정 및 정밀 복구 방법을 개발함으로써 완전 화학합성 게놈에서 발생하는 세포 불활성화 문제를 해결하였다. 연구팀이 획득한 완전합성 효모 염색체는 완전한 생명활성을 보유하였고 효모의 성장을 성공적으로 조절할 수 있으며 또한 다양한 환경 응답 능력을 보유하였다. 본 방법은 화학합성 게놈 연구에 보편적으로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 표현형과 게놈의 상관성 분석을 위한 참신한 전략으로서 게놈 구조 및 기능에 대한 인식을 뚜렷하게 향상시킬 전망이다. 또한 화학합성 효모 5번 염색체를 이용하여 일련의 환상염색체 모델을 구축하였고 인공 게놈 구축에서 설계한 특이성 워터마킹 태그를 통해 세포분열 과정의 염색체 변화를 추적하고 분석하였다. 이는 현재 치료할 수 없는 환상염색체 질환, 암과 노쇠 등의 발생 메커니즘 및 치료 수단을 연구하는데 연구 모델을 제공하였다. 이외, 다단계 모듈화 및 표준화 게놈 합성 방법을 발전시켰다. 또한 원스텝 큰 단편 조립 기술 및 병행식 염색체 합성 방안을 제정함으로써 소분자 뉴클레오시드에서 생체 진핵 염색체에 이르기까지의 맞춤식 정밀 합성을 달성하였다. 칭화대 다이쥔뱌오 연구팀은 12번 염색체를 합성하였고 또한 긴 염색체의 단계적 조립 방법을 개발하였다. 먼저 큰 단편 합성 염기서열을 통해 6개 균주 염색체의 다양한 영역의 내생성 DNA를 점진적으로 교체하였다. 다음 효모 감수분열 과정의 상동 재조합 특성을 이용하여 여러 균주의 합성 염기서열을 합병함으로써 완전한 합성형 염색체를 획득하였다. 연구팀은 12번 염색체의 고도로 중복된 리보솜 RNA 코딩 유전자 집단에 대해 제거 및 공학화 개조를 한 다음 수정 후의 중복 유닛을 이용하여 게놈 여러 유전자좌에서 리보솜 RNA 코딩 유전자 집단을 재구성하였다. 해당 연구는 향후 기타 초대형, 고도로 복잡합 구조 게놈을 설계하고 프로그래밍하는데 기반을 마련하였다. 아울러 효모 게놈의 rDNA(리보솜 DNA) 영역과 기타 염기서열은 양호한 유연성과 가소성을 보유하였음을 입증하였다. 선전화다유전자연구원과 영국 에든버러대학교는 공동으로 2번 염색체(길이 770 Kb)를 드노보 디자인하여 완전 합성하였다. 연구팀은 트랜스오믹스(Trans-Omics) 기법을 사용하여 표현형, 유전체, 전사체, 단백질체, 대사체 등 5개 차원에서 유전자형－표현형 심층 상관 분석을 체계적으로 수행하였다. 그리고 인공적 설계 합성 S. Cerevisiae 게놈은 증가할 수도 삭감할 수도 있는 고도의 유연성을 보유하였음을 입증하였다. 특히 두 연구기관이 공동으로 합성한 효모 균주는 야생형과 고도로 유사한 생명활성을 보유하였고 환경 적응성은 대폭 강화되었으며 진화 속도는 기하급수적으로 향상되었다. 상기 성과는 생명 인식을 심화하고 관련 연구를 추진하는데 중요한 의미가 있으며 실제 응용에서 활용도가 높을 것으로 전망된다. 또한 화학물질 설계를 통한 맞춤식 효모 생명체 구축이 가능하고 생성물 범위도 확장될 것임을 시사한다. 인공합성 효모가 보급·응용됨에 따라 산업 생산, 약물 제조 등 면에서 효율과 품질 향상을 가져다줄 것으로 전망된다. 정보출처 : http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2017-03/10/content_523361.shtml |
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