강, 바다 등 수생태계에 널리 분포하는 광합성 미생물은 이산화탄소를 원료로 빛을 에너지원으로 삼아 여러 유용 물질을 생합성하면서 탄소 순환과 산소 생성의 핵심 역할을 담당한다.
특히 육상식물에 비해 이산화탄소 흡수 속도가 월등히 빠르고, 바이오연료나 바이오플라스틱을 생산할 수 있어 탄소감축 핵심 플랫폼이자 지속가능한 생물자원으로 주목받고 있다.
그러나 광합성 미생물을 탄소감축에 효과적으로 이용하려면 유전자를 유전자가위로 정밀하게 교정해 이산화탄소 흡수 능력을 극대화시켜야 한다.
하지만 기존 크리스퍼 단백질 유전자가위 기술은 광합성 미생물의 핵 내부로 들어가기 어려워 유전자가위 활용도가 극히 낮기 때문에 광합성 미생물의 탄소감축 활용에 큰 장애가 됐다.
광합성 미생물 활용성 높인 유전자가위
한국생명공학연구원(이하 생명연) 세포공장연구센터 김희식 박사팀이 크리스퍼 단백질의 핵 내 정밀 유도로 광합성 미생물의 유전자 교정 빈도를 10배 이상 향상시킬 수 있는 유전자가위 기술을 개발했다.
연구팀은 광합성 미생물에 전달 효율이 낮은 유전자가위 전달 효율을 높이기 위해 자연모방기술을 적용, 숙주에게 자신의 유전정보를 자유롭게 전달하는 토양 미생물 아그로박테리움을 모사했다.
연구팀은 아그로박테리움이 자신의 유전정보를 핵 내부로 전달하는 과정에서 핵위치신호(NLS)가 핵심 역할을 한다는 사실에 착안, 유전자가위인 크리스퍼 Cas9 단백질에 NLS을 이식한 ‘DN Cas9’ 단백질을 개발했다.
유전자가위 ‘DN Cas9’은 광합성 미생물인 클라미도모나스 레인하티의 유전자 교정실험에서 기존 유전자가위 보다 정밀하게 핵 내부로 유도해 단백질이 다량 축적함은 물론 유전자 교정 빈도 수치도 10배 이상 향상시켰다.
또 연구팀은 다른 광합성 미생물에도 해당 기술로 유전자 교정 빈도를 향상시키는데 성공, 이번에 개발한 유전자 가위 단백질이 범용될 수 있음을 확인했다.
김 박사는 “이번 성과는 세계 최초로 유전자 교정대상 생물의 핵 내부물질 전달원리를 활용해 유전자가위 기술을 개발한 것”이라며 “이는 광합성 미생물의 낮은 유전자 교정 효율을 극복하는데 필요한 핵심 기술로, 광합성 미생물 기반 탄소저감기술 실현을 앞당기는 중추적 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구성과는 국제학술지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS, IF 9.4)’ 지난 3일자 온라인판에 게재됐다.
(논문명: Cas9-mediated gene editing frequency in microalgae is doubled by harnessing the interaction between Importin α and phytopathogenic NLS / 교신저자 : 생명연-UST KRIBB 스쿨 이용재·김희식 박사, 제1저자 : Le Thi Trang·최홍일·김지원 박사)
