[7월] 인공세포에서 원하는 바이오원료만 골라 자동으로 쏙쏙 뽑아낸다!
안녕하세요 ~!! 케미러브입니다 :)
오랜만에 인사드립니다 ~~!
이번 내용은 이번 7월에 보도된 따끈따끈한 한국화학연구원 연구성과 이야기입니다 !
그럼 이제 시작해보겠습니다 !!!
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한국화학연구원 정밀바이오화학연구본부 바이오화학연구센터 이주영 박사팀과 포항공과대학교 오승수 교수팀은 '인공세포 속에 있는 바이오산업 원료를 원하는 대로 골라 자동으로 쉽게 뽑아내는 합성생물학 기술'을 개발했습니다. 바이오산업 발전을 가속화할 합성생물학 핵심 기술 개발을 이루어낸 것입니다.
이러한 연구를 통해 기존에 인공세포를 파괴하거나 분해해 추출해야 했던 복잡한 과정을 단순화ㆍ자동화시켜 바이오원료를 얻기 위한 시간과 비용을 획기적으로 줄였습니다. 따라서 향후 바이오 기술 개발에 폭넓게 적용될 것으로 기대되는데요,
계속해서 나올 단어인 '세포'에 대해 먼저 알아봅시다!
'세포'란 '가장 작은 생명 구조이자, 인간을 포함한 모든 동물의 구성단위'를 뜻합니다. 크기와 형태는 그 기능에 따라 다양합니다.
세포의 구성은 아래 사진과 같습니다.
출처: [네이버 지식백과] 동물세포 [animal cell] (브리태니커 비주얼사전 > 동물, 2012.)
그 역할에 대해 간단히 설명드리겠습니다 :)
핵막 (nuclear envelope): 핵을 둘러싸고 있는 막. 2개의 층으로 이루어졌으며, 작은 구멍이 뚫려 있어 세포질과 핵 사이에 물질교환이 가능하다.
핵 / 세포핵 (nucleus): 세포활동을 조절하는 세포 기관. 세포의 유전자를 담고 있다.
인 (nucleolus): 핵 안에 들어 있는 작은 구체. 그 안에서 리보솜, 즉 단백질 합성 구조물이 생성된다.
미세소관 (microtubule): 세포를 지탱하는 원통형 구조. 세포 안의 기관들과 물질들이 돌아다닐 수 있게 한다.
미토콘드리아 / 사립체 (mitochondrion): 세포활동에 필요한 에너지를 생산하는 타원형 세포기관.
퍼옥시좀 (peroxisome): 세포의 독성 물질을 중화시키는 효소가 포함된 세포 소기관.
섬모 (cilium): 세포질 막이 연장된 가는 섬유 같은 모양. 세포와 세포 표면의 일부 물질들이 움직일 수 있게 한다.
염색질 (chromatin): 세포의 유전물질인 DNA의 매우 미세한 섬유 덩어리. 세포분열을 할 때 염색체로 응축된다.
중심립 (centriole): 세포분열에서 중요한 역할을 하는 기관. 작은 봉으로 이루어졌으며, 세포마다 보통 2개씩 들어 있다.
세포막 (cell membrane): 세포 바깥쪽을 싸고 있는 유연한 막. 세포와 주위 환경을 분리하고 물질의 출입을 조절하는 거름막 역할을 한다.
세포질 (cytoplasm): 여러 가지 세포 구조물을 둘러싸고 있는 맑은 겔 타입의 물질.
액포 / 액강 (vacuole): 물, 노폐물, 세포에 필요한 여러 가지 물질을 담고 있는 구체의 공동.
미세섬유 (microfilament): 세포를 떠받치고 형태를 잡아 주는 봉 모양의 구조물.
소포체 (endoplasmic reticulum): 리보솜이 붙어 있는 벽을 이루는 세포기관.
골지 장치 / 골지체 (Golgi apparatus): 주머니로 이루어진 세포기관. 리보솜에 의해 생성된 단백질을 받아들여 세포 외부나 다른 세포기관으로 운반한다.
리소좀 (lysosome): 작은 회전 타원체 기관. 음식 및 수명을 다한 세포 성분, 그리고 흡수된 다른 유해물질을 분해하는 효소가 들어 있다.
리보솜 (ribosome): 생물의 구성과 기능에 필요한 필수단백질을 생산하는 세포기관. 소포체에 붙어 있거나 산재해 있다.
뿐만 아니라 본격적으로 연구 내용을 설명하기 전, 관련 학문인 합성생물학과 바이오파운드리의 개념도 알아야 합니다.
먼저 '합성생물학'이란 '세포의 구성 요소들을 블록처럼 자르고 붙여 인공적으로 생명체를 설계·합성하는 학문'을 뜻합니다.
이 '합성생물학과 로봇, 인공지능(AI) 기술을 융합한 첨단 바이오 기술'을 '바이오파운드리'라고 합니다.
합성생물학과 바이오파운드리는 바이오 기술 개발과 상용화에 필요한 시간과 비용을 줄일 수 있는 혁신 플랫폼으로 기대되고 있습니다.
합성생물학의 바이오파운드리를 이용한 최근 대표적인 성공 사례로 ‘모더나’ 백신을 꼽을 수 있는데요, 원래 바이오 분야는 살아있는 생명체를 활용하기 때문에 예측성과 생산성 등이 떨어져 기술 개발과 상용화에 시간이 오래 걸립니다. 하지만 합성생물학과 바이오파운드리를 활용하면 바이오 기술 개발과 상용화 시간을 단축할 수 있기 때문에 최근 연구개발이 활발하게 이루어지고 있는 추세입니다. 미국 바이든 행정부는 일자리 창출 및 국가 안보 등을 위한 핵심 기술로 합성생물학을 명시한 바가 있습니다.
한국화학연구원 이주영 박사팀과 포항공과대학교 오승수 교수팀은 합성생물학을 바탕으로, 인공세포 속 고부가가치 바이오 원료를 세포 밖으로 이동·분비시키는 기술을 세계 최초로 설계, 개발해낸 것입니다. 정말 대단한 업적이라 생각합니다 !!
그렇다면, 이러한 새로운 기술이 기존 기술과 달리 갖게 된 장점은 무엇일까요 ?!
기존 기술로서 세포 속 바이오 원료를 얻기 위해서는 주로 세포를 파괴하고 분해해야 했으며, 세포 파괴 또는 분해 후 여러 혼합물질이 쏟아져 나오면 그 중 특정 원료만 추출해내는 복잡한 공정을 거쳐야 했습니다. 즉, 세포를 파괴/분해 후 추출까지 여러 단계를 거쳐야 했습니다.
하지만 연구팀은 이런 과정 없이, 세포에서 원하는 바이오원료만 쏙쏙 골라 세포 밖으로 분비시키는 기술을 처음으로 개발하였습니다. 따라서 바이오 제조공정의 속도와 생산효율을 획기적으로 높였습니다. 한마디로 본 기술을 하나의 자동화된 단계로 줄였다고 볼 수 있습니다.
또한 기존 기술은 비연속적 발효에 그치는 반면, 새로운 기술은 연속 발효 공정이 가능해서 바이오원료의 생산량을 늘리는 데 효과적이다.
그렇다면 이제 인공세포에서 원하는 바이오원료만 자동적으로 골라 세포 밖으로 분비시키는 새로운 연구팀 기술 시스템에 대해 더 자세히 알아보겠습니다 !!
효모(yeast): 빵·맥주·포도주 등을 만드는 데 사용되는 단세포 미생물, 3대 미생물 중 하나
구체적으로 연구팀은 세포 속 특정 바이오원료에 결합할 수 있는 단백질을 발굴하고, 바이오원료와 단백질을 같이 세포 밖으로 분비시키는 신호태그 시스템을 인공적으로 설계했습니다.
이 기술을 활용하면 마치 공항의 특정 수하물에 수송태그가 붙어 원하는 경로로 이동되는 것처럼, 신호태그 시스템을 통해 세포 속 바이오원료가 한 번에(one-stop) 원하는 경로로 자동으로 수송돼 세포 밖으로 나오는 것입니다.
마지막으로 이 자동화 시스템을 통해 얻을 수 있는 생물적, 화학적 가치 및 기대효과를 알아보겠습니다 :)
개발된 기술은 다양한 인공세포 속 여러 바이오 원료를 추출하는 미생물 세포 공장에 활용될 수 있는 플랫폼 기술입니다.
따라서 크게 4가지 기대효과를 일으킬 수 있습니다.
1) 향후 코로나19 백신 원료 중 하나인 스쿠알렌을 친환경적으로 생산할 수 있습니다.
2) 기존에 동식물로부터 얻고 있는 건강기능제품 원료를 대체할 수 있습니다.
3) 의약품 바이오원료를 저렴한 비용과 높은 효율로 대체 생산할 수 있습니다.
4) 세포 속 바이오원료를 세포 밖뿐만 아니라 세포 속 다양한 위치(핵, 미토콘드리아, 지방방울 등 세포 소기관)로도 정확하게 이동시킬 수 있습니다.
이는 향후 세포의 기능과 역할을 변화시킬 수 있어서 합성생물학의 기반 기술로도 활용될 수 있습니다.
본 연구팀 이주영 박사님은 “본 기술은 바이오 전 분야에 파급력을 미칠 수 있는 세계 최초·최고 수준의 글로벌 범용 기술이다. 전 세계적으로 주목받고 있는 바이오파운드리 구축과 발전에 기여할 수 있는 혁신적인 합성생물학 기술로, 향후 바이오 산업 발전의 가속화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 전망하셨습니다.
(해당 연구결과는 과학분야 분야 최고 권위지 중 하나인‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’5월호에 게재되었습니다.구체적이고 전문적인 내용은 논문을 확인하시면 됩니다 !!)
* 논문 제목 : Metabolite trafficking enables membrane-impermeable-terpene secretion by yeast (Impact factor: 14.919)
이번 포스팅 내용은 한국화학연구원 블로그 및 한국화학연구원 홈페이지 보도자료 연구결과 내용을 바탕으로 제작하였습니다.
참고 바랍니다 ^^!!
https://www.krict.re.kr/thumbnail//viewer/1656947271176/index.html
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이상으로 포스팅을 마치겠습니다 !!
더 유익하고 재미있는 화학 이야기로 찾아오겠습니다 ~!
감사합니다 :)
