KAIST 이상엽 교수팀, 미생물 게놈 해독

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2004-09-20 17:53

과천--(뉴스와이어)--전 세계적으로 생명공학연구에 있어 유전체 활용의 중요성이 증가하고 있고, 이러한 정보들의 해외 의존성이 늘어나고 있는 시점에서, 우리나라도 국제적으로 공인된 학술지에 미생물 게놈 프로젝트의 완성 결과를 처음으로 게재하는 개가를 올렸다.

한국과학기술원 (러플린 총장)과 네이쳐 바이오테크놀로지는 생명화학공학과 대사공학 국가지정연구실의 이상엽 교수 (40세, LG화학 석좌교수) 연구팀이 이제까지 전 세계적으로 이루어진 게놈 염기서열의 단순한 해석을 한 단계 뛰어넘는 시스템 생명공학의 접목을 통해 맨하이미아 균의 게놈 수준에서의 대사기능을 해독했다고 19일 밝혔다.

이번에 게놈의 총체적 기능해석이 이뤄진 맨하이미아 숙시니시프로듀센스는 한우의 반추위에서 이교수팀이 분리해 낸 토종 세균으로, 다양한 산업분야에서 널리 쓰이는 숙신산 (일명 호박산, succinic acid)를 과량 생산한다.

이교수팀은 아이디알 인용호박사, 제노텍 김재종사장, 한국생명공학연구원 허철구박사 연구팀과의 성공적인 공동연구를 통해 맨하이미아의 게놈 염기서열과 유전자 기능을 밝혔다. 하지만 단순히 미생물의 게놈 염기서열을 밝히는 것은 산업적으로는 큰 의미를 찾을 수는 없었다.

이에 이상엽교수는 홍순호박사, 김진식 박사과정생과 함께 과학기술부 시스템생물학 연구개발사업의 지원으로, 맨하이미아의 컴퓨터 가상세포 모델을 구성하였고, 이 가상세포를 이용한 컴퓨터 실험을 통해 맨하이미아 균의 다양한 생육조건에서의 대사특성과 성장특성, 그리고 대사산물의 생산특성을 세포 전체 수준에서 밝혀내는데 성공하였다.

실제 생명공학실험과 컴퓨터를 이용한 가상실험을 접목하여 게놈서열로부터 미생물의 대사특성을 직접 밝혀내는데 성공하게 되었다. 즉, 이제까지의 게놈연구 방식을 뛰어 넘어 게놈에서 생명공학제품의 효율적 생산을 가능케하는 새로운 연구방법을 제시하고 검증하게 되었다.

이교수팀은 IBM 슈퍼컴퓨터 시스템을 이용하여, 유전체의 서열 정보를 상세히 분석해, 효소 및 주요 단백질의 기능을 수행할 수 있는 후보들을 예측해내고, 각각의 후보들을 생물정보학을 이용한 비교 검색을 통해 보유 가능한 생물학적 기능을 분석하였다.

이와 같이 하여 완성된 유전체 해석 정보를 이용하여, 맨하이미아 균주 내부의 대사 회로 인실리코 (in silico) 모델을 구축하고 모델링 검증작업, 시뮬레이션, 그리고 그 시뮬레이션 결과와 실제 실험과의 검증작업을 거침으로써, 맨하이미아 균주의 전체대사회로 작동 원리와 그의 산업적 이용 방안을 제시하였다.

맨하이미아를 이용하여 생산하는 숙신산은 일명 호박산으로 불리우며 탄소 4개로 구성되고 두개의 카르복실기를 가진 화학 핵심 전구체이다. 현재 화학, 식품, 제약업계에서 널리 활용되고 있으며, 향후 생분해성 고분자, 청정용매 (green solvent) 등으로 시장이 확대될 것으로 예상되어 막대한 시장규모를 형성할 것으로 예상되고 있다.

특히, 최근과 같이 고유가가 지속되는 지금, 전 세계적으로석유에 의존하지 않고 재생가능한 원료로부터 화학물질을 생산하는 환경 친화적인 기술에 많은 연구 개발이 이루어지고 있다. 이번에 이교수팀이 발표한 소위 “게놈에서 생명공학제품까지 (genome-to-bioproduct)”라는 연구 전략은 이러한 생명공학 기반의 다양한 제품의 상용화에 큰 기여를 할 것으로 예상되고 있다. 또한, 숙신산의 경우 맨하이미아균이 이산화탄소를 고정하여 만들게 되어 내년에 발효되는 기후변화협약 (교토프로토콜)에의 대응에도 기여하게 될 것이다.

맨하이미아의 게놈 해독결과는 국제 공인 GenBank 데이터베이스에 등록되어 논문과 함께 전 세계에 공개 예정이다. 현재 이교수 연구팀이 보유중인 유전체 분석 프로그램과, 작년에 공개한 가상세포 시뮬레이션 프로그램인 메타플럭스넷 (MetaFluxNet), 그리고, 최근 공개한 대사회로 관련 통합 데이터베이스 바이오실리코 (BIOSILICO) 등과 더불어 이번 성과를 통해 시스템 생명공학 기법으로 가상세포의 모델 구성과 검증과 관련된 연구를 세계적으로 선도해 나갈 수 있게 되었다.

이상엽교수는 “향후 이번에 발표한 시스템 생명공학 기법을 지속 발전 시켜 우리나라 생명공학 산업의 발전에 기여하고 싶다. 특히, 후세를 위해 소모적인 석유의존 기술을 상당부분 대체할 수 있는 환경친화적인 생명공학기술 개발에 매진하고 싶다.”고 밝히면서 “숙신산 생산 연구는 세계 최고 수준의 인프라 기술을 확보하게 되었으므로, 향후 산업화를 위해 정부부처, 기업체 등과 상의하여 발전시킬 수 있는 방법을 적극적으로 강구할 생각이다” 라고 말했다.

이교수팀의 이번 연구 성과는 세계 최고의 생명공학 학술지인 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology) 19일자 온라인판에 공개되었으며, 10월호에 출판될 예정이다.

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