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Bio리포트 학회참관기
ICBE (International Conference on Biomolecular Engineering) 2015 참관기
임현규, 장성호(POSTECH)
목차
1. Keynote 발표 소개
2. Session별 발표 소개
Session 1: Synthetic Biology
Session 2: Metabolic Engineering for Fuels and Chemicals
Session 3: Experimental and Computational Tools for Engineering Biomolecules
Session 4: Biophysical Models of Biological Processes
Session 5: Designing Non-native Biological functions
3. 총평
1. Keynote 발표 소개
A. Multipurpose Bacterial Cell Factories: New Production Strains and Novel Tools (Michael Bott, For-schungszentrun Julich)
Michael Bott는 독일의 Forschungszentrum Jülich(이제는 Institute of Bio- and Geosciences, IBG-1: Biotechnology)의 디렉터이자, University of Düsseldorf의 교수로 재직 중이다. 이번 학회에서는 아미노산 고 생산을 위한 토대가 되는 균주 및 균주의 대사공학을 위한 몇 가지 도구를 소개했다.
C. glutamicum은 gram 양성 미생물로서, 매우 높은 밀도(15g DCW/L 이상)로 성장할 수 있다. 야생형 균주의 경우에도 아미노산 생산성이 상당히 높기 때문에, 산업적으로 많이 사용되고 있다. 해당 균주를 아미노산 생산에 더욱 적합하도록 하기 위해서 T7 기반의 발현조절 시스템을 도입하였고, 염색체상에 존재하는 prophage들을 제거함으로써 박테리오 파지에 의한 감염 가능성을 제거하였다.
특정 아미노산의 고생산 균주를 개발하기 위해서는 해당 아미노산 대사경로의 조작이 필요하다. 먼저 L-leucine을 고생산하는 균주를 개발하기 위해서 feedback-resistant iso-propylmalate synthase를 개발하였고, citrate synthase의 발현량을 줄였으며, TolC를 제거함으로써 glucose influx를 증가시켰다. 그 결과 72시간 배양 시 23.7g/L의 생산량과 0.6g/L/h의 생산능을 갖는 L-leucine 고생산 균주를 개발할 수 있었다.
그 다음으로는 L-lysine을 고생산하는 균주를 개발하기 위해서 인공적인 균주 스크리닝 도구를 고안하였다. LysG에 의한 전사조절을 이용하여 세포 내 lysine 농도에 반응하여 GFP의 발현을 조절할 수 있는 센서를 제작했다. 이 센서 시스템을 이용해 FACS sorting을 함으로써 7*106에 달하는 방대한 라이브러리로부터 120가지의 lysine producer strain들을 스크리닝 해낼 수 있었고, 이론적인 방법으로는 예측하기 어려운 beneficial mutation을 밝혀낼 수 있었다.
B. Non-Canonical Amino Acids as Probes of Protein Synthesis in Complex Biological Systems (David Tirrell, California Institute of Technology)
David Tirrell은 Caltech의 화학 및 화학공학과 교수로서, 거대분자 화학과 non-canonical amino acid(ncAA)를 이용한 단백질 검출 연구에 집중하고 있다. 본 학회에서는 ncAA를 단백질 합성에 도입함으로써 살아있는 동물과 같은 복잡한 생물 시스템 내에서 특정 시간동안 특정 종류의 세포에서 발현된 단백질을 분석하는 방법을 소개했다.
지금까지 다양한 종류의 ncAA들이 소개되었고, 이를 살아있는 세포 내의 단백질 합성에 이용하고자 하는 연구들이 있었다. 특히 aminoacyl-tRNA synthetase를 조작함으로써 ncAA를 효과적으로 도입할 수 있는 기술을 확보하게 되었다. Tirrell은 세포 내에 Aha라는 ncAA를 단백질 합성에 사용할 수 있는 aminoacyl-tRNA synthetase를 발현시켰다. 특정 시간 동안 세포 외부에 Aha를 첨가하면 새롭게 합성된 단백질에는 Aha가 도입되고, Aha에 포함된 N3 residue를 이용해 tagging을 할 수 있다. 새롭게 합성되고, 꼬리표가 달린 단백질은 streptavidin-avidin interaction을 이용하여 분리 및 농축할 수 있고, 비교적 쉽게 단백질을 확인할 수 있다. 이 기술을 BONCAT이라 명명하였는데, 10분이라는 짧은 시간 동안만 발현된 단백질을 효과적으로 분석할 수 있는 기술이다.
또한, Tirrell은 특정한 종류의 세포에서 발현되는 단백질을 분석하기 위해서 promoter-specific BONCAT이라는 방법도 개발하였다. 정리하자면, 자연적으로 사용되지 않는 ncAA를 이용함으로써 기존의 유전자 발현 분석방법으로는 쉽게 얻지 못했던 time-resolved, cell-specific data를 얻을 가능성이 열렸다.
C. Development of Microbial Cell Factories for Biorefineries (Akihiko Kondo, Kobe University)
Akihiko Kondo 교수는, Kobe University에 재직 중이며 Biorefinery Center, Biomass Engineering Program at RIKEN, Innovative BioProduction Kobe와 같은 연구사업들의 디렉터로 일하고 있다. 그는 세포 표면공학 및 합성생물학에 관심을 갖고 다양한 연구를 진행 중이다.
Kondo는 본 학회에서 다양한 세포 표면공학 연구를 이용해 바이오리파이너리를 위한 균주 개발에 활용한 결과를 발표했다. 다양한 저가 바이오매스를 바이오리파이너리에 직접적으로 활용하기 위해서는 lignocellulosic biomass를 효과적으로 분해할 수 있는 방법이 필요하다. 목표로 하는 대사산물을 생산할 수 있는 균주가 바이오매스 분해도 동시에 진행할 수 있으면, 여러 가지 공정비용을 크게 절감할 수 있다. 따라서 Kondo는 yeast의 세포 표면에 amylolytic and cellulytic enzyme을 발현시킴으로써 바이오 에탄올 생산을 위한 통합적 시스템을 구축할 수 있었다. 또한 세포 표면에 hemicellulase를 발현시킴으로써 xylose를 활용할 수 있는 yeast로부터 바이오 에탄올을 생산하는 시스템도 개발하게 되었다.
이처럼 세포 표면에 효소를 발현시키게 되면 세포를 다시 회수함으로써 쉽게 재사용할 수 있다는 장점이 있다. Kondo는 이 외에도 고온 저항성 yeast인 Kluyveromyces marxianus를 이용하여 고온에서의 glutathione 생산공정을 개발하기도 했다.
2. Session별 발표 소개
Keynote speaker의 presentation후에는, 각 주제별로 나뉜 세션이 진행되었으며, 각 세션에 대한 설명과 발표된 내용을 간략히 소개하고자 한다.
Session 1: Synthetic Biology
Synthetic Biology(합성생물학)는 최근, 대사산물 생산에 있어서 크게 떠오르고 있는 분야로 유용한 기능(function)을 갖는 미생물을 디자인 하기 위하여 예측 가능한 유전적 도구를 개발하고 생체 시스템을 설계하려는 학문이다.
A. Synthetic regulators for evolutionary metabolic engineering (Gyoo Yeol Jung, POSTECH)
합성생물학은 생물 시스템을 의도적으로 설계 또는 재설계함으로써 바이오 연료나 플랫폼 물질과 같은 상업적으로 중요한 화합물을 생산하려는 목표를 가지고 있다. 이미 스스로의 성장에 목표를 두고 진화해온 생물 시스템을 손쉽게 재설계하기 위해서는 생물 시스템이 갖고 있는 특징인 robustness를 풀어줘야 할 필요가 있다. 생물 시스템이 가지는 robustness를 풀어주기 위해서 다양한 이론적 접근법이 제안되었고, 실제로 효과를 보였지만 여전히 조합적 혹은 진화적 접근법이 큰 역할을 수행할 수 있다.
본 발표에서는 세포 내 대사산물의 농도를 측정할 수 있는 Riboswitch 생체센서 기반의 Riboselector를 개발함으로써, L-Lysine 생산 균주에 적용하여 대사산물 생산 균주의 진화적 대사공학이 가능함을 소개했다. 또한, L-Lysine이외에도 Tryptophan 및 B12 등 다양한 목표 대사산물에 적용하기 위하여 자연계에 존재하는 aptamer 및 SELEX를 활용한 synthetic aptamer를 활용하여 각 대사산물 별 riboselector를 개발하였으며, 이를 이용한 진화적 대사공학 연구들이 소개되었다.
B. Reinforcing synthetic biology against evolutionary failure (Jeffrey Barrick, UT Austin)
의도하지 않은 진화는 DNA-encoded device의 작동을 빠르게 없애버릴 수 있다. Barrick은 최근에 새로운 host organism으로 각광받고 있는 Acinetobater baylyi ADP1 균주를 이용해 DNA 서열의 지속적인 변화를 가져오는 요인을 밝히고, 그 요인을 제거함으로써 원치 않는 진화로부터 비교적 자유로운 균주를 개발하고자 하였다.
먼저 adaptive mutation 또는 genetic drift가 지배하는 환경에서 A. baylyi ADP1을 진화시켰다. 그 다음에 whole-genome sequencing을 이용해서 IS1236 transposon이 DNA uptake를 비롯한 몇 가지 핵심적인 특징을 제거하는데 관여한다는 사실을 밝혔다. 그리고는 유전체상의 모든 IS1236 transposon이 제거된 ISX ADP1 균주를 개발했고, 그 결과 돌연변이 발생률이 줄어든 균주를 얻게 되었다. 예상치 못했던 결과로써 ISX ADP1 균주에서는 transformation efficiency의 증가도 확인되었다.
한편, Barrick은 DNA device의 생존기간을 늘릴 수 있는 돌연변이를 발견하기 위한 일반적인 directed evolution 실험방법도 제안했다. High copy plasmid로부터 형광단백질을 발현하는 간단한 DNA device를 Escherichia coli 세포에 도입하고 계속적인 serial dilution culture와 FACS sorting을 이용해서 오랜 시간이 지나도 형광 단백질이 발현되는 균주들을 분리했다. 분리된 균주들은 돌연변이 발생률이 떨어짐으로써 DNA device의 작동을 유지할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
C. Synthetic biology with a cell-free TX-TL system: metabolism, gene circuits and minimal cell in a test tube (Vincent Noireaux, University of Minnesota)
Cell-free transcription-translation(TX-TL) 시스템은 60년대에 처음 개발되어 90년대에 획기적으로 발전했고, 학계와 산업계에서 재조합 단백질 기술의 대체재로 사용되어왔다.
Noireaux는 이 발표에서 TX-TL system을 이용해 거대한 DNA program을 작동시키는 연구와 TX-TL system의 encapsumation을 이용한 minimal cell prototype의 개발에 대한 연구를 소개했다.
먼저 E. coli 기반의 TX-TL system을 이용해 DNA encoded T7 phage protein을 합성했고, in vitro에서 T7 phage의 reconstruction을 확인했다. 이렇게 만들어진 phage는 in vivo에서 만든 것과 크게 다르지 않았다. 그 다음으로는 세포 크기의 liposome에 TX-TL system을 encapsulation시킴으로써 minimal cell의 원형을 개발할 수 있었다.
Session 2: Metabolic Engineering for Fuels and Chemicals
합성생물학과 더불어 대사공학(Metabolic Engineering)은 미생물 대사회로의 흐름을 조절하여 원하는 fuel 및 chemical등의 생산성을 높이고자 하는 학문이다. 최근, 미생물의 개발은 두 학문이 융합되어 적용되므로, 이들의 경계는 모호해지는 편이다.
A. The Quest for Synthetic Methylotrophy (Eleftherios Papoutsakis, University of Delaware)
Papoutsakis 교수는 Delaware 대학의 교수인데, Methylotrophy에 관한 연구를 상당히 오랫동안 지속해왔다. 이러한 연구의 배경은 최근 미국의 shale gas의 채굴을 통해 메테인의 생산이 급격하게 늘었고, 이러한 메탄을 단순 연료로 사용하기보다는 활용가치가 높은 여러 가지 화합물을 생산하고자 하기 때문이다. 메탄을 직접적으로 사용하는 미생물인 methanotroph가 존재하지만, 대장균에서는 methane monoxydogenase의 발현이 어렵기 때문에, 메탄올을 대사하고자 하는 연구가 진행되었다.
메탄올 대사에서 중요한 것은 메탄올(CH3OH)을 포름알데히드(HCHO)형태로 전환하는 MDH (methano dehydrogenase)의 효과적인 발현이 중요하다. 이러한 MDH는 NADH의존적 반응과 PQQ의존적 반응이 있는데, 대장균에서는 PQQ 를 합성하지 않기 때문에, NADH 의존적 반응이 적합할 것으로 생각되었다. 하지만, 이 NADH 의존적 반응의 경우 일반적인 상황에서는 favorable 하지 않은 반응이기 때문에, 온도와 관련된 문제점을 해결할 필요도 있었다. 또한, 만들어진 포름알데히드가 여러 가지 pathway로 실제 탄소길이가 길어지는데, 이러한 반응을 효과적으로 제어하는 것이 중요하다는 발표가 있었다.
B. Exploring P450 Expression in Escherichia coli for the synthesis of complex molecules (Bradley Biggs, Manus Bioscience)
Manus bioscience는 대장균으로부터 taxol을 처음 생산한 논문을 발표한 Ajikumar parayil이 창업한 회사로서, 최근 복잡한 화합물을 생산하는 연구를 진행 중이다. 이러한 화합물 생산에서 P450합성은 상당히 중요한데, 보통 plant에서 일어나는 반응을 매개하기 때문이다. 이 회사에서는 대사회로의 metabolic flux의 balance와 reductase partner를 modulation함으로써 수율을 높일 수 있었다.
C. Metabolic Engineering of Saccharomyces cerevisiae for the synthesis of polyketides and fatty acids (Nancy Da Silva, University of California, Irvine)
polyketides의 경우에 여러 가지 biorenewable chemical의 전구체로 쓰이기 때문에 생산이 매우 중요하다. 이러한 polyketides의 생산에는 starting material로서 acetyl-coA와 malonyl-coA의 사용이 많은데, 본 연구팀에서는 opt-knock을 이용한 pathway engineering고 2PS(2-pyrone synthase) enzyme의 protein engineering을 통하여 TAL(triacetic acid lactone)의 생산량을 크게 높일 수 있었다. TAL이외에도, fatty acid 생산과 관련한 연구도 발표되었는데, fatty acid synthesis와 관련된 heterologous enzyme 도입 및 pathway engineering을 통하여 short chain(C6-C8)뿐만 아니라 medium chain(C10-C12)까지도 미생물이 생산할 수 있음을 확인하였다
D. Engineering Alcohol Tolerance in Yeast Fermentation (Greg Stephanopoulos, MIT)
마지막 발표는 대사공학 분야의 가장 권위자인 MIT의 Gregory Stephanopoulos 교수의 Engineering alcohol tolerance in yeast fermentation이었다. Bioethanol 생산에 있어서, 큰 limitation으로 작용할 수 있는 점은 바로 product 자체의 toxicity이다. product가 toxic하게 되면, 세포성장을 저해하여 전체적으로 productivity가 떨어질 수 있게 된다.
해당 연구팀에서는 potassium이나 proton의 electrochemical membrane gradient가 ethanol resistance를 갖는데 큰 도움을 준다는 것을 확인하였다, 실제로 상업용으로 쓰이는 여러 균주를 테스트해본 결과, 단순히 medium에 potassium ion을 첨가함으로써 고농도의 ethanol에서도 세포 성장이 저해되지 않음을 확인한 흥미로운 결과를 발표하였다.
Session 3: Experimental and Computational Tools for Engineering Biomolecules
Biomolecule 생산을 위한 미생물 개량에 있어서, 미생물 조작을 위한 많은 유전적 도구들이 개발되었지만 engineering되어야할 회로 및 유전자에 대한 정보가 제한적이다. 따라서, target 선정에 도움을 주기 위한 computational tool들이 개발되고 있으며, 해당 세션에서는 이러한 연구 내용들이 발표되었다. 추가적으로, biomolecule을 측정하기 위한 실험적인 tool 개발 내용도 소개되었다.
A. A forward systems approach to identify regulatory networks for strain engineering(REFINE) (Lydia Contreras, UT Austin)
미생물 균주 개발에 크게 두 가지의 중요한 조건이 있다. 첫 번째는 우리가 원하는 형질 변화를 위해서 유전체상의 어떤 목표 유전자를 조작해야 하는지 정해야 한다. 두 번째로는 원래 세포가 가지고 있던 대사경로와 외부에서 도입한 대사경로 사이의 적절한 협력을 위해서 예측적으로 조절 가능한 기술이 필요하다. 다양한 -omics 연구들에 의해 방대한 데이터가 축적되어 있음에도 불구하고 이 데이터를 실제 생물학적 대사경로의 측면에서 해석하고, 균주 개발에 이용할 수 있는 형태로 변환하는 것은 여전히 어렵다. 본 발표에서는 균주 개발에 이용할 수 있는 global regulator를 자동적으로 찾아낼 수 있는 도구를 소개했다. Regularoty nEtworks For straIN Engineering(REFINE) 이라고 명명된 이 기술은, 다양한 환경 변화를 준 상태에서 total RNA를 분리하고, RNA sequencing한 결과를 생물정보학적 알고리즘을 이용해 분석함으로써 global regulator로써 가능한 sRNA 후보를 쉽게 골라내 준다. 이 기술은 유전적 및 생화학적 정보가 비교적 잘 알려지지 않은 non-model organism에 대해서도 적용 가능하다는 사실이 Zymomonas mobilis에 대한 case study를 통해 확인되었다.
B. Development and analysis of precursor production strains for chemical production (Jennifer Reed, University of Wisconsin-Madison)
본 발표에서는 다양한 대사산물을 높은 효율로 생산하기 위해서는 어떤 전구체의 공급을 높여주는 것이 가장 효과적인지를 컴퓨터 모델링을 이용한 생물정보학적 방법으로 탐색하였다. Escherichia coli의 대사회로와 E. coli에 도입 가능한 외래 경로의 다양한 조합을 조사해본 결과, 몇 가지 central carbon metabolism의 전구체로부터 다양한 생산물까지의 enzymatic step의 수를 계산할 수 있었다. G6P, 3PG, G3P, Pyr, OAA, aKG로부터 몇 개의 단계를 거치면 다양한 화합물을 생산할 수 있는지 알아본 결과, pyruvate로부터 5 단계 이내에 생산할 수 있는 화학물질들의 개수가 가장 많았다. 따라서 세포 내의 pyruvate 생산량을 높이기 위해서 genome scale metabolic modeling을 이용해 타겟 유전자를 선정했다. 선정된 유전자들을 knockout 하게 되면 acetyl-coA 생산을 최소화하거나, acetate 또는 lactate의 생산을 줄이거나, NAD(P)H를 생산하는 방식으로 pyruvate의 농도를 높일 수 있을 것으로 예상되었다. 선정된 유전자들을 다양한 조합으로 knockout한 결과, 이론적 수율의 94%에 해당하는 pyruvate를 생산할 수 있는 균주를 획득하게 되었다. 이 균주를 바탕으로 세 가지 유전자 조작을 한 결과 이론적 수율의 84%에 해당하는 ethnaol을 생산하는 고생산 균주를 획득했다.
C. Computational strain design for improved productivity, yield and robustness (Krishna Mahadevan, University of Toronto)
본 발표에서는 미생물 대사경로에 대한 이론적 모델과 이를 활용한 대사산물 고생산을 위한 최적화에 대한 연구가 소개되었다. 먼저, bi-level optimization을 이용하여 다양한 기질을 동시에 대사할 수 있도록 강제함으로써 대사산물 생산능력을 증가시킬 수 있는 모델이 소개되었다.
그 다음으로는 새로운 non-linear optimization 방법을 이용해 수 백 가지의 서로 다른 새로운 균주 설계 전략을 획득할 수 있다는 사실이 소개되었다. 마지막으로는 대사산물 생산에 불필요한 대사경로들이 사실은 robust한 균주를 개발하는 데 있어서 어떤 역할을 하는지 컴퓨터 모델링을 통해 알아본 결과가 소개되었다.
D. De novo synthesis of terminal alkyne-tagged natural products and application (Wenjun Zhang, UC Berkeley)
Natural product는 의약품, 살충제, 제초제 등으로 널리 사용될 수 있는 매우 유용한 small molecule 그룹이다. Natural product를 시각화하고, 농축하고, 정량적으로 분석하기 위해서 tagging하는 기술이 필요하다. 하지만 macromolecule에 대한 tagging에 비해서 small molecule에 대한 기술은 비교적 덜 발달되었다.
본 발표에서는 기존에 생명체가 제공할 수 있는 화학반응들을 이용해서 natural product에 terminal alkyne tagging을 할 수 있는 기술을 설명했다. 먼저, alkyne tagging을 할 수 있는 biosynthetic enzyme과 그 특성을 밝혔다. 그 후에는 실제로 새로운 natural product의 terminal alkyne tagging이 가능함을 확인하였고, 이때 발생하는 예상치 못했던 생산물에 대한 최적화 기법을 설명했다.
Session 4: Biophysical Models of Biological Processes
미생물이 design한대로, 실제 활성을 보이기 위해선 예측 가능한 genetic engineering tool을 사용해야 한다. 하지만, 이런 engineering tool을 개발하기 위해선, 해당하는 biological process에 대한 이해가 필요하고, 이를 예측하기 위한 model이 필요하다. 이번 세션에서는 특히, riboswitch의 function에 대한 정량적 model이 개발되어 소개되었다.
이러한 연구들은 미생물 engineering분야에서 synergistic한 효과를 보일 것으로 기대되며, 앞으로 친환경적인 미래사회 구축에 일조할 수 있을 것으로 생각된다. A. Automated Physics-Based Design of Synthetic Riboswitches from Diverse Aptamer (Howard Salis, Penn State University)
Penn State University의 Salis 교수는 미생물의 translation과 관련한 정량적 모델을 발표하였고, mRNA의 서열 정보를 기반으로 유전자의 발현 정도를 정량적으로 계산하여 알려주는 프로그램을 제공하였다. (RBS calculator)
최근, 특정 바이오 화합물의 농도를 감지할 수 있는 riboswitch를 적용하여 화합물 고생산 균주 개발에 사용하고 있는데, 자연계에 존재하는 다양한 aptamer를 활용한 synthetic riboswitch 개발 필요성이 대두되고 있다. 하지만 이러한 synthetic riboswitch의 동작 범위를 이론적으로 계산하는 것은 어려운데, Salis 교수는 RBS calculator의 후속연구의 일환으로 다양한 aptamer와 유전자의 coding sequence가 조합되었을 때, 해당 riboswitch의 작동범위를 정량적으로 제시할 수 있는 모델을 개발하였다. 해당 모델에서 사용되는 에너지 값들은 ligand-aptamer binding, RNA자체의 folding, structural switching, ribosome-mRNA의 interaction등이 사용된다.
Session 5: Designing Non-Native Biological Function
마지막 세션에서는 미생물이 자연적으로 갖는 function이 아닌 새로운 biological function을 할 수 있도록 하는 연구에 대한 내용이 발표되었다.
A. Microbial production of Curcuminoids (Nobutaka Funa, University of Shizuoka)
Curcuminoids란 보통의 경우 Zingiberales에 의해서 생산되고 있는데, 향이나 색감 등의 이유로 식품 첨가물로 많이 사용되고 있다. 특히 아시아권의 지역에서는 약제로도 많이 사용되오고 있다. 이러한 polyketide 물질들의 합성에 있어서 미생물에서 가장 많이 사용되는 전구체는 malonyl-coA인데, 이 malonyl-coA는 주로 polyketide나 fatty acid synthesis에 사용되고 있다. polyketide의 일종인 cerulenin을 생산하기 위하여 fatty acid synthesis 쪽으로 진행되는 탄소흐름을 이와 관련된 유전자(fabB, fabH, fabF, fadR)들의 발현량을 RNAi, 유전자 knock out등을 통해 조절하였으며, 그 결과 polyketides의 생합성 량이 증가되었다는 결과를 발표하였다. 추가적으로, 이러한 영향들이 glyoxylate cycle의 활성과 함께 관련이 있을 것으로 생각된다는 발표가 진행되었다.
B. Designinig microbe for executive function (Bill Bently, University of Maryland)
미생물들은 여러 가지 방법(targeted mutation, pathway and regulatory engineering, who genome engineering)으로 engineering되는데 이러한 engineering을 하더라도 세포들간의 phenotypic noise가 발생하게 되어 chemical production등 원하는 behavior를 나타내기 위해서는 주변 환경을 정교하게 control하여야 한다. 이러한 미생물들의 function을 결정하는데 signaling molecule들이 많은 관여를 하게 된다.
이러한 signaling molecule에서 가장 대표적인 것이 quorum sensing(QS)과 관련된 분자들인데, 이러한 분자들을 이용할 경우 noise를 발생하지 않고 원하는 행동을 하는 세포들을 개발할 수 있을 것으로 기대했다.
발표에서는, 이러한 signaling molecule등을 활용하여 여러 가지 자극(ion, small molecule, electricity)등에 따라 미생물의 행동을 조절할 수 있음을 chip에서 구현한 결과를 발표하였다.
C. Non-native small molecule biosensors for screening and selection of high-performance cell factories (Micheal K. Jensen, Technical University of Denmark)
앞선 발표들과 같은 맥락으로, metabolite high producer를 손쉽게 screening하기 위한 screening 도구들의 개발에 관한 노력들이 많이 발표되었는데, 본 연구팀에서도 세포 내 metabolite 농도를 감지할 수 있는 molecule 중 하나인 transcription factor를 이용하여 biosensor를 design 하였다. 감지된 농도 signal은 GFP의 fluorescence으로 전환되어 FACS등의 방법으로 screening 할 수 있을 것으로 생각한 내용에 대하여 발표가 있었다. 이러한 방법은 대장균과 같은 미생물 말고도 yeast 등과 같은 eukaryote 등에도 포괄적으로 적용될 것으로 기대되고 있다.
D. Engineering Orthogonal Translation systems (Michael Jewett, Northwestern University)
미생물에서 mRNA로부터 protein은 ribosome에 의해서 일어나는데, 미생물이 가지고 있던 ribo-some과는 orthogonal한 새로운 ribosome을 design하여, site-specific introduction of nonstandard amino acids(nsAAs) 등의 새로운 기능을 하는 biological system을 만들고자 한 연구였다.
구체적으로, ribosome은 ribosomal RNA를 포함하여 여러 가지 protein등으로 구성이 되는데, 이 rRNA에 error prone PCR 등의 mutation을 주어 library를 만든 후, 다시 ribosome component들을 in vitro assembly하였다. Reconstruction된 ribosome으로부터 nsAAs들이 translation되는지 여부를 조사하여 약 ~100개 정도의 orthogonal translation system(OTS)을 개발하였다. 하지만, 이러한 OTS들의 activity와 specificity를 확보하는 것에는 아직 많은 문제점들이 있는 것으로 파악되었다. 실제로 기존의 orthogonal polymerase 개발에 있어서도 orthogonality를 확보하는 것에 대한 충분한 검증이 적었기 때문에, 이번 translation system에서도 비슷했던 것으로 생각된다.
3. 총평
미래사회를 위한 친환경적 기술개발은 이미 필수가 된지 오래이다. 미생물을 활용한 바이오 화합물 생산은 화석연료가 아닌 자연에 존재하는 다양한 재료(사탕수수, 식물, 해조류 등)들을 탄소원으로서 사용할 수 있기에 그 가치가 매우 높다. 그동안 바이오 공정은 경제성의 문제로 촉매 사용과 같은 화학적으로 합성하기 어려운 물질들의 생산에 국한된 편이었으나, 최근 많은 연구를 통하여 고효율 균주가 개발됨에 따라 다양한 플랫폼 화합물의 대량 생산까지 가능해질 전망이다.
본 학회에서는, 바이오 공정의 핵심 요소인 균주 개발과 관련하여 다양한 분야에서 진행중인 연구들이 소개되었다. 반응 1가지를 매개하는 효소의 engineering부터, 대사회로 수준의 연구, 생체 시스템 모델링에 이르기까지, 고성능 균주를 개발하기 위한 각 분야별 복합적인 연구가 진행되고 있음을 느꼈다. 이러한 연구들은 미생물 engineering분야에서 synergistic한 효과를 보일 것으로 기대되며, 앞으로 친환경적인 미래사회 구축에 일조할 수 있을 것으로 생각된다.
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