이용재(왼쪽) 박사와 김희식 박사가 유전자가위 관련 연구를 수행하고 있다.[한국생명공학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 최근 전 세계적 이상 기후현상이 심화되면서 탄소 포집과 기후 완화에 중요한 역할을 하고 있는 광합성 미생물(미세조류)을 활용한 기술 개발 필요성이 커지고 있다.

한국생명공학연구원 세포공장연구센터 김희식 박사 연구팀은 크리스퍼 단백질의 핵내 정밀 유도를 통해 광합성 미생물의 유전자 교정 빈도를 10배 이상 크게 향상시킬 수 있는 유전자가위 기술을 개발했다.

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

하지만 기존 크리스퍼 단백질 유전자가위 기술은 광합성 미생물의 핵 내부로 들어가기 어려워 유전자 교정기술에 있어 유전자가위의 활용도가 극히 낮아 광합성 미생물의 탄소감축 활용에 큰 장애로 작용했다.

연구팀은 낮은 유전자가위 전달 효율을 해결하기 위해 자연모방기술을 활용하는 방법을 고안했다.

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

연구팀은 아그로박테리움이 자신의 유전 정보를 핵 내부로 전달하는 과정에서 NLS(nuclear localization signal; 핵위치 신호)가 핵심적인 역할을 한다는 사실에 착안하여 대표적인 유전자가위인 크리스퍼 Cas9 단백질에 NLS을 이식한 ‘DN Cas9’ 단백질을 개발했다.

핵위치 신호에 의해 매개되는 유전자가위의 핵 내부 전달 메커니즘.[한국생명공학연구원 제공]

‘DN Cas9’은 광합성 미생물인 클라미도모나스 레인하티의 유전자 교정 실험에서 기존의 유전자가위 보다 정밀하게 핵 내부로 유도되어 단백질이 다량으로 축적됐으며, 유전자 교정 빈도 수치도 10배 이상 향상시켰다.

또한 연구팀은 다른 광합성 미생물에도 해당 기술로 유전자 교정 빈도를 향상시키는데 성공하여 이번에 개발한 유전자 가위 단백질이 범용적으로 활용될 수 있음을 확인했다.

김희식 박사는 “이번 연구성과는 전 세계 최초로 유전자 교정 대상 생물의 핵 내부 물질 전달 원리를 활용하여 유전자가위 기술을 개발한 것”이라며 “광합성 미생물의 낮은 유전자 교정 효율이라는 큰 장애물을 넘는데 필요한 핵심 기술로 광합성 미생물 기반 탄소저감 기술의 실현을 앞당기는데 중추적인 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 3월 3일 온라인 판에 게재됐다.