광합성 미생물 유전 교정→이산화탄소 흡수 능력↑

[아이뉴스24 정종오 기자] 미세조류로 알려져 있는 광합성 미생물은 기후변화의 주범인 이산화탄소를 빠르게 흡수하는 동시에 다양한 유용 물질을 생산할 수 있다. 탄소 감축 기술의 핵심 플랫폼이자 지속 가능한 차세대 생물자원으로 주목받고 있다.

최근 전 세계적으로 기후변화가 가속하면서 생태계에서 탄소 포집과 기후 완화에 중요한 역할을 하는 광합성 미생물(미세조류)을 활용한 기술 개발이 더 필요한 상황이다.

한국생명공학연구원(원장 권석윤) 세포공장연구센터 김희식 박사 연구팀은 크리스퍼 단백질의 핵내 정밀 유도를 통해 광합성 미생물의 유전자 교정 빈도를 10배 이상 크게 향상시킬 수 있는 유전자가위 기술을 개발했다. 탄소감축 저감 기술 실현을 앞당길 것으로 기대된다.

광합성 미생물을 탄소감축에 효과적으로 이용하기 위해서는 유전자가위로 정밀하게 유전자를 교정해 이산화탄소 흡수 능력을 극대화시켜야 한다.

기존의 크리스퍼 단백질 유전자가위 기술은 광합성 미생물의 핵 내부로 들어가기 어려워 유전자 교정기술에 있어 유전자가위의 활용도가 극히 낮았다.

연구팀은 낮은 유전자가위 전달 효율을 해결하기 위해 자연모방기술을 활용하는 방법을 고안해 냈다.

자연계에는 일명 ‘유전자 편집자(gene editor)’라고 불리며 특정 생물(숙주)에게 자신의 유전 정보를 자유롭게 전달할 수 있는 생물들이 있다. 대표적으로 아그로박테리움(Agrobacterium)이라는 토양 미생물이 있다.

연구팀은 아그로박테리움이 자신의 유전 정보를 핵 내부로 전달하는 과정에서 NLS(nuclear localization signal, 핵위치 신호)가 핵심 역할을 한다는 사실에 착안했다. 대표적 유전자가위인 크리스퍼 Cas9 단백질에 NLS을 이식한 ‘DN Cas9’ 단백질을 개발하는데 성공했다.

새로 개발한 유전자 가위 ‘DN Cas9’은 광합성 미생물인 클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii)의 유전자 교정 실험에서 기존의 유전자가위 보다 정밀하게 핵 내부로 유도돼 단백질이 다량으로 축적됐다. 유전자 교정 빈도 수치도 10배 이상 높였다.

연구팀은 다른 광합성 미생물에도 해당 기술로 유전자 교정 빈도를 향상시키는데 성공했다. 이번에 개발한 유전자가위 단백질이 범용적으로 활용될 수 있음을 확인했다.

연구책임자인 김희식 박사는 “이번 연구 성과는 전 세계 최초로 유전자 교정 대상 생물의 핵 내부 물질 전달 원리를 활용해 유전자가위 기술을 개발한 것”이라며 “광합성 미생물의 낮은 유전자 교정 효율이라는 큰 장애물을 넘는데 필요한 핵심 기술로 광합성 미생물 기반 탄소저감 기술의 실현을 앞당기는데 중추적 역할을 할 것”이라고 말했다.

연구 성과(논문명: Cas9-mediated gene editing frequency in microalgae is doubled by harnessing the interaction between Importin α and phytopathogenic)는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 3월 3일자 온라인 판에 실렸다.