Ⅰ. 제목
생물회로설계 및 프로그래밍을 통한 고효율 바이오매스 전환균주 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적
본 연구계획의 목표는 합성생물학/시스템생물학 기반의 생물회로설계 및 제어, 대사흐름 분석 및 최적화를 위한 원천기술 개발과 이를 이용한 고효율 바이오매스 전환균주의 개발이다. 이를 위해 1) 다양한 생물회로의 구성성분인 전사인자, 리보스위치 등의 구조적, 생화학적, 분자생물학적 특성을 파악하고 2) 이들 각 구성성분을 결합하여, 새로운 특성을 갖는 희로를 설계하고 이를 제어하는 시스템을 개발하며 3) 대장균 또는 효모에서 이러한 합성생물회로가 원활하게 작동되도록 설계 및 제어분석을 수행하며, 4) 바이오매스의 효율적 전환에 필요한 생물회로의 최적화를 위해 대사흐름 분석 및 대사저해요소를 파악하고 최적화를 수행한다. 이를 통해 궁극적으로 바이오매스의 전환효율이 극대화된 합성균주를 이용하여 고효율, 저에너지, 저비용 전환공정의 개발을 꾀하고자 한다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
생물회로설계 및 프로그래밍을 통한 고효율 바이오매스 전환균주 개발은 합성생물학, 시스템생물학, 생물정보학, 대사공학과 같은 다양한 분야의 병합을 필요로 한다. 특히 합성생물학은 기존의 연구방식으로는 해결하기 힘든 다양한 문제들에 대한 해결방안을 제공하며 유전자발현에서의 노이즈분석, 유전자회로의 설계를 위한 새로운 발현조절기구 제작, 독립적인 생물회로의 연결 및 기존 네트웍과의 원활한 연계구동과 같이 본 연구과제에서 제안하는 핵심기술의 개발을 가능하게 한다. 이를 위해 1단계 연구(2010-2012)에서는 전사조절기구 및 리보스위치와 같은 RNA regulator등을 재설계하는 기반기술과 이를 이용한 유전자발현 정밀조절기술, mRNA 구조제어를 통한 단백질 발현증대 기술, 트랜스아미네이스 기반 광학활성물질 생산기술을 개발하였다.
Ⅳ. 연구개발결과
1차년도에서는 대장균 및 효모에서 새로운 리보스위치를 개발하고, 자일로스대사 유전자를 클로닝하였음. 2차년도에는 리보스위치 기반의 on-switch와 logic gate와 같은 생물회로를 제작하고, mRNA 구조조절을 통한 발현 향상 변이종 제작기술, 자일로스 대사 최적화 균주 개발, 트랜스아미네이스 기반의 아민 및 아미노산 생산공정 개발을 수행함. 이를 통해 대장균 및 효모에서 작동하는 새로운 개념의 intragenic riboswitch 3종을 개발하였으며 특히 효모에서의 intragenic riboswitch개발은 세계 최초임. 이러한 리보스위치를 이용한 생물회로를 제작하여, 대장균에서 theophylline에 의해 발현이 증대되는on-switch 1종과 효모에서 NAND gate 및 NOR gate 1종씩을 개발하였음. 또한 silent mutation을 통한 mRNA 구조조절기술을 개발하여 대장균 및 효모에서 발현을 10배이상 증대시키는 기술을 특허출원준비중임. 트랜스아미네이스 기반 고부가가치 화합물 생산기술에서는 커플링 효소반응을 통한 L-tert-leucine생산기술이 특허출원되었으며 현재 기술이전 추진중임.
Ⅴ. 연구개발결과의 기대효과
바이오매스의 효율적 전환을 위해서는 기존의 산업균주가 갖지 못하는 새로운 성질을 발휘하여 타겟화학소재의 생산을 극대화할 수 있는 균주의 개발이 필수적이다. 또한 최근 이슈가 되고 있는 탄소순환, 저에너지 소비와 같은 문제를 해결하는 공정개발에 필요한 맞춤형 균주의 개발은 바이오매스의 전환에서 가장 핵심적인 부분이다. 최근 합성생물학의 발전에 힘입어 다양한 생물회로를 분석하고 이를 통합적으로 연결하여 프로그래밍이 가능한 합성생물회로의 제작이라는 기반기술을 제공함으로써 향후 바이오매스 당화, 바이오연료 및 화학소재 전환에 필요한 균주의 개발에 크게 활용될 수 있다. 이뿐 아니라 다단계 효소반응, 대사경로 재설계, 유전자 발현조절 시스템 개발 등에 응용할 수 있는 큰 파급효과를 갖는다.