GM Microorganism 미생물의존재가발견된 1673년으로부터약 340년이흐른현재우리는다양한분야에서미생물을활용할뿐만아니라유전자변형기술을활용해미생물로부터유용한물질을생산하거나나아가바이오연료, 바이오플라스틱등을개발해석유자원의고갈에대비하고있으며, 환경오염, 기후변화대응등인류가직면하고있는문제들을해결하고자미생물에대한연구개발을진행하고있습니다. 최근국내연구진이대장균의유전자를변형해가솔린을생산한연구가네이처지에게재되어국내외언론의주목을받기도하였습니다. 바이오세이프티에서는미생물의이용역사와최근주목받고있는 GM미생물의연구개발분야를정리해보았습니다. Hot Topic 인간의삶과함께한미생물연구의과거, 현재그리고미래 한국생명공학연구원미생물자원센터이정숙 미생물이란단어의한자어를보면微 ( 작을미 ) 生 ( 날생 ) 物 ( 만물물 ) 로풀이되며아주작은생물이란뜻으로실제로너무작아서맨눈으로는볼수없습니다. 미생물의발견은현미경의발견과밀접하게관련되어있습니다. 미생물은네덜란드사람인안톤반레벤후크 (1632-1723) 에의해단식현미경으로최초로관찰되었으며, 오늘날에는전자현미경을통한세밀한관찰이가능하게되었습니다. 그러므로미생물연구의발전은현미경이라는장비의발전과도깊은관련이있다고할수있습니다. 그럼눈으로도보이지않는많은미생물을눈으로볼수있는형태인미생물콜로니로단일종에대한순수배양을이루어낸사람은누구일까요? 바로파스퇴르입니다. 파스퇴르가오늘날과같은미생물순수배양을이루어낸후지금까지이제미생물연구의역사는 150여년정도된다고할수있습니다. 이제미생물이살고있는곳을알아봅시다. 미생물은어디에있을까요? 미생물은이지구상구석구석어디든지살고있습니다. 미생물은이지구상어는곳이나존재합니다. 우리몸속에도수많은미생물이살고있고우리주변모든곳에서미생물이살고있습니다. 우리의몸은세포로이루어져있는데약 60-100조정도가된다고알려져있습니다. 그런데우리몸속미생물의수는이세포들의수보다 10배이상많다고알려져있습니다. 그러므로, 인간의삶을미생물과별개로생각할수없으며, 인간의삶은미생물과불가분의관계에있다고할수있습니다. 그런데학자들은지구상에존재하는이런많은미생물들중에서인간이분리하고순수배양할수있는비율은전체미생물의 1% 도되지않는다고추정하고있습니다. 그래서미생물은새로발굴하고연구하고개발하여야할무궁무진한미지의분야가남아있다고볼수있습니다. 앞에서인간은미생물과더불어살고있다고했는데. 우리가그동안생각해온미생물은보통건강에해를주는병원균만을떠올려왔고, 그래서미생물이라면더럽고위험한것이라는인식을가져왔습니다. 그러나우리가먹고있는많은발효음식속의유산균, 비타민등의생산균주, 환경정화에이용되는미생물등우리에게유익한많은미생물들이있습니다. 즉, 미생물은인간에게유익한면과유해한면양면을가지고있습니다. 지금부터는미생물의분류에대해알아보겠습니다. 미생물은원핵미생물과진핵미생물두분류로크게나눌수있습니다. 원핵미생물은핵산을둘러싸고있는핵막이없고, 핵산이세포질내에존재하는것으로대부분이단세포로이루어져있으며, 세균, 고세균, 남조류등이여기에포함됩니다. 이와대응되는진핵미생물은막으로둘러싸인핵을가지고있으며곰팡이, 효모등이여기에해당됩니다. 각분류군의대표적인미생물종류에대해서알아보도록합시다. 먼저세균 (Bacteria) 입니다. 세균은그모양에따라구균, 간균, 나선균등으로구분되고, 그람염색반응에따라그람양성균또는그람음성균으로나뉠수있습니다. 또한산소요구도에따라호기성세균과혐기성세균, 그리고통성혐기성세균으로도나뉠수있습니다. 광합성을하는미세조류인남조류도분류학적으로는세균에포함됩니다. 다음은고세균 (Archaea) 입니다. 고세균은핵이없는원핵미생물이지만세균과는많은차이점을보여주고있습니다. 그래서일반적으로고세균과비교하여세균을진정세균이라고부르기도합니다. 보통고세균은높은온도, 높은압력, 높은염도등극한환경에서잘자라고, 메탄생산등아주오래전의지구와유사한환경으로추정되는환경에서자라는종이많기때문에고세균이라는이름을갖게되었습니다. 특이하게도고세균은분자생물 Microorganism 04 BioSafety vol.14 no.3 2013 KBCH 05
학을통한계통분류학적관점에서보면세균보다는진핵생물에가깝습니다. 또한고세균은세균과비교했을때세포벽의구성도차이를보이고, 세포막의지질구성도다른점을보이고있습니다. 이제진핵미생물인효모 (Yeast) 와곰팡이 (Mold) 로넘어가보도록하겠습니다. 효모는우리에게는전통발효식품인막걸리와같은주류발효의주균으로서널리알려져있고, 곰팡이는실같은균사체의본체를가지고있는사상균을말하는데, 효모, 버섯과함께분류학적으로보면균류 (Fungi) 에속합니다. 미생물은우리가살고있는어는곳이나살고있으며, 인간의삶과밀접한관계를가지고있습니다. 이런미생물에대한연구의역사는병원성미생물에대한대응책을찾는것에서시작되었다고할수있습니다. 우리는미생물과관련된질병에대해서많이듣게되는데, 결핵 (Mycobacterium tuberculosis), 페스트 (Yersinia pestis), 탄저 (Bacillus anthracis), 콜레라 (Vibrio cholerae), 위궤양 (Helicobacter pylori), 폐렴 (Streptococcus pneumoniae), 장티푸스 (Salmonella typhi), 충치 (Streptococcus mutans) 등인간의많은질병이병원성미생물과관련되어있습니다. 이런병원성미생물을없애기위한치료제개발을위해서는병원성미생물의안전한관리와그를통한활발한연구가필요합니다. 병원성미생물을억제하기위한다양한연구를통해항생물질이개발되어이용되어왔습니다. 우리가잘알고있는페니실린이라는항생물질은푸른곰팡이가생산하는것입니다. 1885년파스퇴르는병원균의독성을약화시켜주사하면약화된병원균에대해서우리몸에서는면역력이생성된다는것을알아냈습니다. 이원리를기반으로광견병, 소아마비, 홍역, 풍진등다양한질병에대한예방접종법이개발되었고, 오늘날인간은많은병원성질병에걸리지않고건강하게살아갈수있는혜택을입고있습니다. 이처럼미생물상호간의시너지또는억제기작연구를통해다양한질병치료제개발연구가진행되어왔고현재진행되고있으며앞으로도진행될것입니다. 최근들어항생 제내성을가진슈퍼박테리아의출몰과그에대한치료제개발에많은관심이모아지고있습니다. 이연구를위해서는해를입히는유해균과그를억제할수있는유익균또는유익물질에대한연구가필요하며양쪽그룹의미생물들에대한체계적인관리도필요합니다. 이제인간에게도움이되는유익한미생물에대해서알아보겠습니다. 오래전부터동서양에서는발효식품을먹어왔습니다. 서양에서는치즈나요구르트등발효식품을만들어왔고, 동양에서는나라마다다양한발효식품을먹어왔습니다. 우리나라의대표적발효식품인김치, 된장, 젓갈등에는유산균과같은많은유익한미생물들이작용하여맛있는발효가일어나는것입니다. 옛날에는자연적인발효음식을만들어먹었지만오늘날에는품질관리를위해서도우수한발효미생물종균을개발하여좋은품질의발효식품을생산하고관리하려는연구가이루어지고있습니다. 빵, 와인등을만드는효모는발효식품산업의주요균주입니다. 또한효모그자체가단백질원으로서가축의사료로이용되기도합니다. 그외에도항생물질, 비타민등유용물질을생산하는데도미생물은널리이용되고있으며, 폐수처리등환경오염의생물학적복원에도많은미생물복합체가이용되고있습니다. 또한미생물의유기물분해능력은지구상의모든물질순환에주요한역할을하고있습니다. 남조류는녹조현상과같은환경문제와깊은관련을가지고있어서최근핫이슈로떠오르고있는녹조, 적조연구도미생물연구와밀접한관계를지니고있습니다. 최근에는전세계적으로빠른산업화로인한석유자원소비증가로고유가가지속되고있어석유자원의고갈이예견되고있으며, 전지구적인문제로인식되고있는기후변화에효율적으로대응하기위하여국가간협력체계를강화하고있습니다. 에너지및환경에대한범지구적규제강화로석유자원을대체할수있는연구에대한관심이증가되고있고, 따라서산업에서석유가담당하는부분을재생가능한자원인바이오매스로대체하려는바이오리파이너리 (Biorefinery) 연구가활발하게진행되고있습니다. 미국은생물자원을이용한바이오에너지관련연구를추진하고있는데, 특히 Zymetis 는해양습지에서다당류다중분해미생물인 Saccharophagus degrans를분리하여바이오에너지생산을통해높은기업가치를평가받고있고, 생물연료전문회사인 Verenium 은 페니실린이라는항생물질은푸른곰팡이가생산하는것입니다. 1885 년파스퇴르는병원균의독성을약화시켜주사하면약화된병원균에대해서우리몸에서는면역력이생성된다는것을알아냈습니다 06 BioSafety vol.14 no.3 2013 KBCH 07
Celunol 과 Diversa 가합병하여재탄생되었는데생물다양성을기반으로산업용효소를발굴, 생산하고있으며, 특히바이오에탄올등연료산업용효소개발에주력하고있습니다. 또한생태계내에서미발굴된새로운미생물또는이들의유전자를발굴하는데분자생물학적기술의적용이발달하면서, 난배양성미생물및유용미생물유전자를발굴하는데분자생태모니터링기술이발전하고있고, 이들기술을통해유용자원및유전자를이용하여바이오산업의발전에크게기여할것으로예상되고있습니다. 이런다양한연구에널리활용되는미생물은대장균 (Escherichia coli) 입니다. 대장균이가지고있는플라스미드 (plasmid) 라는원형 DNA를이용한유전자재조합기술로다양한유전학실험과유용물질생산이이루어지고있습니다. 미생물산업의발전과유전자변형미생물의응용 KBCH 이외에도다양한미생물의유전자재조합체를산업미생물균주로이용하여비타민, 아미노산, 항생물질, 산업용효소, 바이오플라스틱, 기능성화장품, 바이오에탄올, 바이오매스에너지생산등바이오산업이발전하고있습니다. 최근에는시스템대사공학을통하여고효율유전자재조합미생물균주를개발하려는연구가진행되고있으며, 개발된균주는다양한바이오리파이너리연구에활용될것으로기대되고있습니다. 지금까지살펴본것처럼미생물은유해균또는유익균의양면을가지고우리삶과밀접하게관련되어있습니다. 현재우리는사스, 조류인플루엔자, 슈퍼박테리아등많은새롭게출몰하는감염질병에맞서싸우기위해다양한연구노력을집중하고있습니다. 또한에너지고갈, 기후변화, 식량부족등당면한문제해결을위한대표적인후보로서다양한미생물자원을발굴하고개량하여이용하려는연구를지속하고있습니다. 인간의미생물연구및이용의역사는과거발효식품부터현재의바이오산업균주를거쳐미래의석유대체자원으로그영역을확대해나갈것입니다. 과거미생물의연구와이용으로페니실린이제2차세계대전의역사를바꾸어놓았듯이인간의풍요로운삶의질을높여줄미래의블루오션으로서의미생물연구와이용의새로운역사가펼쳐지기를기대합니다. 포도상구균을기르던배지에서곰팡이가떨어진부분주위로포도상구균이녹아있다 ( 상 ). 플레밍은푸른곰팡이 ( 하 ) 에서나온물질이포도상구균을죽였다고추정했다. 01. 미생물산업의시작 김치, 된장, 포도주, 맥주, 치즈등세계각국에서는전통적인발효식품을애용해오고있습니다. 이발효식품들은미생물의존재가밝혀지기이전부터이용되어왔지만현미경의개발을통한미생물의존재확인과 1864년파스퇴르에의해발효와부패가자연적으로발생하는화학적현상이아닌미생물에의해일어난다는사실이발견된이후미생물을산업적으로이용하고자하는움직임이시작되었습니다. 미생물산업은미생물이생산하는효소를식품에이용하면서발전해왔습니다. 1984년다케미네조키치가코오지배양법을통해곰팡이에서생산되는아밀라아제의상업화에성공하면서대량생산이가능하게되었고 20세기에들어서면서미생물의효소를피혁가공, 맥주생산등에이용하는등산업적수요가증가하였습니다. 미생물의산업적수요가점점확대됨에따라연구개발과투자가활발히이루어지기시작했습니다. 미생물산업증대에가장중요한사건은 1929년알렉산더플레밍의페니실린의발견을꼽을수있습니다. 우연한계기를통해포도상구균을기르던페트리접시에서푸른곰팡이가피었고곰팡이주변의포도상구균이깨끗하게녹이있는모습을발견하였습니다. 이후연구를통해곰팡이가생산하는어떤물질이강력한항균작용을나타낸다는점을확인했고곰팡이가페니실리움 (Penicillium) 속에속했기때문에페니실린이라이름을붙였습니다. 페니실린은포도상구균외에도여러종류의세균에항균작용을나타냈고, 플레밍의페니실린은발견이후하워드플로리, 언스트체인의연구끝에임상실험을거쳐인간에게도사용할수있게되었습니다. 이후 1950년대산업적생산을위해 10만리터규모의대형발효조에서페니실린을생산하는푸른곰팡이를대량생산하기시작하면서미생물의대형산업화의전환이이루어졌습니다. 08 BioSafety vol.14 no.3 2013 KBCH 09
02. 미생물산업의발전 미생물산업의발전을활용기술과생산물질등의요인으로구분하여보면 5 세대의구분이가능합니다 ( 표1). 미생물기술의효시라고할수있는대용량의 발효조를이용해액체상태에서미생물의효소를생산하는것을제1세대미생물 기술의발전단계의시작으로보고있습니다. 제1세대 제2세대 제3세대 제4세대 제5세대 연대 ~1960년대 1960~1985 1985~2000 2000~2012 2012~ 핵심전환기술 심부배양법 고정화기술 비수계반응 유전체, 오믹스 인공세포 생산기술 심부배양 유가식배양 재조합균주발효 화학합성, 표면발현 합성생물학 자원 곰팡이 세균 세균, 곰팡이 유전체 ( 인실리코 ) 유전체정보 반응기술 화분식 연속식 비수계 특이반응기 생체모방 사용기질 천연 천연, 반유기합성 천연, 유기합성 유기합성 생체합성 응용분야 식품, 항생제 정밀화학 특수화학 기기분석용 모든산업 표1_ 미생물산업의발전 (Biosafety Vol.11 No.1 유전체시대의미생물 _ 오태광 ) 제1세대에서는바실러스서브틸리스 (bacillus subtilis) 를액체에서배양하여 아밀라아제를생산하는기술을개발 (1908) 한이후제2차세계대전을전후 하여심부배양법 (Submerged fermentation) 에의해효소를대량생산하는 기술이정립되어미생물산업에중요한분야로대두되었습니다. 제2세대 에서는보다안정적이고, 높은활용성의효소를생산하기위해효소고정화 기술 (Immobilization) 에성공하고효소고정화반응기를이용해고과당시럽을 생산하는등식품산업을포함한정밀화학제품의생산에미생물이이용되면서 시작되었습니다. 이시기에는세제용효소의시장이급신장하였고효소를 막으로둘러싸는마이크로캡슐 (Microencapsulation) 기술이개발되어초기효소 세제사용시지적된피부염, 알레르기반응등의악영향요소를해결함에따라사용량이급격이증가하였습니다. 제3세대부터는신물질을생산하는 GM미생물이등장하였습니다. 주로특정유전자를대장균, 효모등의미생물에도입하거나유전자가변형된미생물을발효에이용함으로써효소나의약용단백질을보다효율적으로생산하고자한것입니다. 이시기에는진단, 정밀화학분야의시장이폭발적으로발전함에따라의약, 펄프및폐수처리, 섬유, 동물사료분야에서미생물의이용이획기적으로증가하는특이점을보였습니다. 또한미생물효소를화학반응에서화학촉매를대신하여사용하기시작해카이랄중간체 (Chiral intermediates) 와항생물질중간체제작, 탄수화물에기반한의약품개발, 신물질의효소적합성, 고분자화합물의합성등에다양하게사용되었습니다. 이런용도의미생물자체또는미생물이만든효소를 생촉매 (Biocatalysts) 라명명하게되었으며미생물산업에신규분야로등단하고있습니다. 제4세대는유전정보를바탕으로발현과정을예측하는세대라할수있습니다. 미생물헤모필루스인플루엔자 (Heamopillus inflenzae) 의유전정보가완전히서열화된 (1996) 이후, 2000년대에들어서면서미생물의유전체해독능력이급격히증가하였습니다. 제1~3세대까지미생물대사산물 (Metabolic) 의합성에중요한효소를생육시킨생물체에서분리해생산한데비해제4세대에들어서면서해독된미생물의유전정보에서다양한효소또는대사공정을사전에탐색할수있는시스템이보편화되었습니다. 또한오믹스 (Omics)1 1) 기술을응용한대량분석기술을바탕으로대사공학기술이발전하였으며아미노산비타민등의중요한산업소재를대량생산할수있는미생물이개발되어상당이많은산업적유기합성공정이미생물공정으로대체되기도하였습니다. 제5세대에이르러서는바이오-나노융합기술로유전체해석수준이향상되었으며이미산업적정립단계에들어선게놈혼합기술, 분자진화기술및분자생물공정기술들은인공생명체를탄생시키려는노력으로발전하고있습니다. 이러한인공세포를이용해자연적인미생물보다효율성이월등히높아진산업용미생물의개발이가능해졌고미생물의용도가바이오부품 (Biobricks), 인공세포 (Artificial cell) 과같은신개념의합성생물학 (Synthetic biology) 분야에응용되면서의학, 식품, 당류, 분석, 세제, 섬유, 펄프, 동물용, 화학및화장품이외에에너지등에도광범위하게사용되는바이오리파이너리 (Biorefinery) 분야까지확대되고있습니다. 1) 오믹스 (Omics) : 특정세포속에들어있는생리현상과관련된대사에대한대량의정보 ( 전사체, 단백질체, 형질체등 ) 를통합적으로분석하여생명현상을밝히는학문 10 BioSafety vol.14 no.3 2013 KBCH 11
03. 유전자변형미생물의활용분야 1973년스탠포드대학의코헨과보이어박사가유전자변형기술을최초로개발한이후최초의유전자변형대장균 ( 이하 GM 대장균 ) 이개발되었고 1978년인간의인슐린유전자가삽입된 GM대장균에서인슐린을제조하는데성공하고 1982년미국 FDA가유전자변형기술을활용한인슐린생산을승인하는데이르렀습니다. 이후치즈를만드는데사용되어왔던우유를응고시키는효소키모신을송아지위가아닌 GM대장균에서생산하게되어치즈생산량이증가하게되었습니다. 1993 년에는몬산토社에서소의성장호르몬 (BST) 를유전자변형미생물 ( 이하 GM미생물 ) 을통해생산하고식품의약국 (FDA) 의허가를받으며유전자변형미생물의개발과이용이가속화되었습니다. 현재에이르러서는효소뿐만아니라미생물이나동 식물, 인간의유용한유전자를미생물을매개체로하여생산하고있습니다. 1) 대사공학 미생물대사공학 (metabolic engineering) 은유전자변형기술과생물공학적기술을이용하여대상미생물에새로운대사회로를도입하거나기존의대사회로를제거, 증폭, 변경시켜산업적으로유용한방향으로변경하는일련의기술로고부가가치식품소재를생산할수있는경제적이면서도환경친화적인미래기술로부각되고있습니다. 기존의미생물개량기술이연구자의직관에의존한몇개효소유전자의형질전환과과다발현에의존한반면, 다양한대사공학기술의개발로미생물을단순한세포가아닌미생물세포공장 (Microbial cell Factories) 으로이용하는것입니다. 미생물대사공학기술은식품소재산업에활발히이용될것으로예측되고있으며현재아미노산, 유기산, 리코펜 (ycopene) 을포함한카르티노이드 (carotenoides) 등다양한소재생산을위한기술개발이진행중입니다 구분 생산물 활용미생물 Xylitol Candida 효모재조합 S. cerevisiae 당알콜 Erythritol C. magnoliae M26 설탕대체감미류 Manntitol Sorbitol L. plantarum L. lactis 2차대사산물및 Carotenoid 재조합대장균 조효소효모, Rhodopseudomonas sphaeroides CoenzymeQ 10 약품, 화장품원료 Agrobacterium tumetaciens 식품과사료첨가물 Vanillin E. coil의대사공학적접근 Folate 비타민 아미노산 저칼로리당 Prebiotic 유기산 VitaminB 12 Riboflavin L-glutamate L-lysin Serine Tagatose Trehalose Lactic acid Succinic acid 표 2_ 대사공학을활용한식품소재의생산 Pseudomonas denitrificans Bacillus megaterium Propionibacterium 세균, 효모, 곰팡이류 C. glutamicum 의대사공학적접근 C. glutamicum의대사공학적접근 L. lactis Propionibacterium Carnobacterium, Enterococcus, Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Oenococcus, Pediococcus, Streptococcus, Tetragenococcus, Vaogococcus, Weissella Anaerobiospirillum succiniciproducens Actinobacillus succinogenes E. coil NZN111 E. coil AFP111 바이오리파이너리시스템은석유에대한의존도를낮추고온실가스배출등의환경오염을감축시킬수있다는점에서주목받고있으며순환시스템으로지속가능하다는점에서그중요도가높아지고있습니다 2) 바이오리파이너리 바이오리파이너리 (Bio-q) 는오일리파이너리 (Oil-refinery) 를대체하기위한새로운개념으로기존의석유자원으로부터생산하던에너지, 연료, 부가가치화학제품등을재생가능한바이오매스로부터생산하는총체적인시스템을말합니다. 바이오리파이너리시스템은바이오매스가기존의석유자원을대신하기때문에석유에대한의존도를낮추고온실가스배출등의환경오염을감축시킬수있다는점에서주목받고있으며폐쇄적인시스템이아닌순환시스템으로지속가능하다는점에서그중요도가높아지고있습니다. 바이오리파이너리생산품을만들기위해서는석유를대신하는바이오매스자원과바이오화합물및바이오에너지를생산하는기술이필요한데바이오리파이너리기술은열화학적인방법이나물리화학적방법도응용되지만미생물을이용한 12 BioSafety vol.14 no.3 2013 KBCH 13
발효방법이주를이루고있습니다. 특히미생물을이용한바이오에너지에너지및바이오화합물생산기술은대사공학및시스템생물공학을기반으로하는균주개발이중요한데유용생물소재와대량생산을위해인위적으로세포의대사과정을조절하는기술입니다. 대사경로 (metabolic pathway) 를이용하면기존의유기합성법으로는얻기힘든입체화학적특이성 (stereochemical specificity) 을갖는저분자뿐아니라플라스틱에탄올등의범용석유화학제품을친환경, 저비용공정으로생산할수있는장점이있습니다. 다양한바이오매스를통해바이오에탄올, 바이오부탄올, 바이오화합물다양한아미노산, 유기산들이생산되고있으며각바이오매스의특성에따라유전자가변형된다양한 GM미생물들이이용되고있습니다. 또한기존의공정에서의생산효율을높이거나기존의미생물들이가지고있지않은대사경로를활용하기위하여미생물의유전자를변형하는연구들이진행되고있습니다. 3) 합성생물학 합성생물학 (Synthetic biology) 은자연계에존재하는생명구성요소와분자조절기구들을다양한방식으로조합하여인간목적에맞게효율적인시스템으로변형시키거나생물학적부품, 디바이스또는시스템을디자인하고창출하는연구분야로지난 10여년간유전자변형이상대적으로쉽고분자생물학적지식이가장많이축적된대장균이나효모같은미생물에서주로이루어져왔습니다. 합성생물학을통해원하는입출력을가진유전자회로설계도를그리고잘규명된생물학적부품유전자, cis-regulatory element, riboswitch, transcription factor 등을변형및조합하면다양한기능을수행하는미생물로봇을만들수있다. 유전자회로를재설계하면미생물이주위균체농도를인식하여공간패턴 (spatial pattern) 을만들거나빛을감지할수있게하고자외선에반응하여 Biofilm을만들거나자살혹은암세포를죽일수있도록프로그래밍할수있습니다. 이처럼다양한기능을수행하는균주의제작에는다양한종류의생물학적부품들이요구되며다양한기능의생명체를보다쉽게만들수있도록생물학적부품들의표준화가진행되고있습니다. MIT에서운영하는 Registry of standard biological parts (http://partsregistry.org) 에서는 ribosomal binding site, 유전자, RNA antiswitch 등의단일부품인 part, part 로이루어진입출력장치인 device, 그리고여러 device로이루어져특정기능을수행하는 system 의세단계로생물부품들을분류하고있는데각생물소자에대해서는기능과함께동특성정보도제공하고있어, 원하는부품을마치회사카탈로그에서고르고이들을연결하는방식으로새로운균주를만들수있습니다. 미생물의 합성생물학은생명구성요소와분자조절기구들을조합하여목적에맞게변형시키거나시스템을디자인하고, 창출하는연구분야입니다 04. 언론을통해본다양한유전자변형미생물연구 앞서설명한기술들과유전자변형미생물의이용분야이외에도많은연구들이진행되고있습니다. 미생물의활용을위한미생물의유전체연구에서부터미생물의대사경로이해를바탕으로부산물의이용, 나아가백신개발, 환경정화등다양한분야에서유전자변형미생물을활용한연구가진행되고있습니다. 국내언론과한국바이오안전성정보센터에서수집하고있는국외유전자변형미생물연구를정리해보았습니다. 1) 단백질생산공장 대장균설계도규명 연세대시스템생물학과김지현교수는한국생명공학연구원윤성호선임연구원, 한국과학기술원이상엽특훈교수연구팀과함께대장균 B와 K-12 두종의유전체, 전사체, 단백체, 형질체등각종생체정보를바탕으로대사과정설계도를해독한뒤컴퓨터모델링으로재구성해두균주의특성을재분석하는연구를 14 BioSafety vol.14 no.3 2013 KBCH 15
진행했습니다. 연구팀은이렇게유전자암호 (DNA) 가메신저RNA(mRNA) 로복사돼단백질공장 ( 리보솜 ) 에전달되고여기서만들어진단백질들이각종대사회로를통해여러생명현상으로나타나는전과정을컴퓨터시뮬레이션으로재구성해확인하였습니다. 실험을통하지않고컴퓨터로다양한대사경로를시뮬레이션하고선택적으로실험을진행할수있게되어연구효율성을높일것으로전망되고있습니다. 2) 유전자변형대장균에서가솔린생산 KAIST 생명화학공학부이상엽교수연구팀에서는대장균이지방산을합성하도록촉진한뒤효소로지방산을조각내는방법으로사슬길이가짧은탄화수소지방산을만드는데성공해네이처지에연구결과가소개되었습니다. 미생물은살아가는데필요한세포막을형성하거나에너지원으로사용하기위해미량의지방산을합성합니다. 지방산은탄소수가 13~17개인탄화수소사슬모양과탄소수가 4~12개인짧은탄화수소사슬모양두종류가있는데, 미생물은긴탄화수소사슬모양만만들어내는특성이있습니다. 연료로사용되는디젤이나가솔린은탄화수소화합물로구성되며디젤은긴사슬모양인데비해가솔린은짧은사슬모양인특징이있습니다. 연구팀은대사공학을이용해대장균에서지방산합성을촉진한뒤새롭게발견한효소로대장균의탄화수소사슬을짧게끊어내고추가적인대사반응을가하는등의 3단계공정을거쳐가솔린으로전환하는데성공하였습니다. 대장균의먹이가포도당이라는점에서이연구는앞으로새로운에너지원인바이오매스활용으로이어질전망입니다. 3) 보다뛰어난백신을이끄는 GM 미생물 텍사스대학의연구진들은독감, 백일해, 콜레라, HPV 와같은여러전염병에대한백신의효과를높여줄수있는 61종의 GM미생물을개발했습니다. 연구팀이개발안 GM대장균은사람의면역반응을높이기위해백신에추가되는성분이항원보강제역할을할수있다고합니다. 지난 70년간백신의항원보강제는알루미늄염이이용되어왔으나알루미늄염이백신의효과를높여주지만어떤방식 으로작용하는지완전히이해되지못하고있으며몇가지단점도가지고있었습니다. 연구진의 GM미생물개발은이를해결할가능성을열어준것입니다. 연구팀은유전공학을이용해대장균의표면에내독소를매우다양한형태도발현하도록만들었으며실제로이대장균균주들은콜레라백신, 백일해백신, HIV 백신의효과를높이는결과가있었습니다. 연구진은이번연구가생물학적항원보강제를한단계발전시켜백신의효과를보다높여줄것이라고기대하고있습니다. 4) 폐기물을연료로전환시키는유전자변형미생물 MIT 연구원들은농업폐기물이나도시폐기물등거의모든탄소원을이소분탄올로전환시킬수있는유전자변형미생물을개발했습니다. Ralstonia eutropha로불리는이미생물은스트레스를받으면성장을멈추고모든에너지를복잡한탄소화합물을만드는데집중하는경향을자기고있는데과학자들은이미생물의유전자를변형해휘발유를대체하거나휘발유와혼합해사용할수있는이소부탄올을생산하는균주를개발할수있을것으로기대하고있습니다. 현재는탄소원으로이산화탄소를이용할수있어배기가스를연료로전환시키는방안을고려하고있으며시스템을최적화해생산속도를높이고산업용규모의바이오리액터를디자인하는데주력하고있습니다. 5) 유독성증기를정화하는유전자변형미생물 중국과학자들이공기여과기에유전자변형미생물을이용해오염된공기의독성살충성분이포함된증기를제거하는연구결과를 2011년 International Journal of Environment and Pollution 에발표하였습니다. 연구팀이이용한미생물은식중독을일으키는미생물로잘알려진 E. coli O157:H7 대장균으로신장에손상을일으켜사망에이르게하는미생물로다양한생물학적연구에서모델생물체로이용되고있는미생물입니다. 과학자들은기존의농업용화학물질보다작물보호에 3배이상의효과를내지만환경에축적되기때문에사람의건강을위협할수있는파라치온과메틸파라치온과같은유기인산염살충제를제거하는공기여과기에유전자변형된 E. coli를이용할수있다고발표하였으며중국과학원의연구팀은 GM E. coli BL21에기초한바이오필터를이용하여파라치온을 95.2%, 메틸파라치온을 98.6% 나제거하는효율을입증한바있습니다. 16 BioSafety vol.14 no.3 2013 KBCH 17
05. 유전자변형미생물의산업적이용을위한안전관리 GM미생물의산업적이용에따라대두될수있는안전성문제는두가지로살펴볼수있습니다. 하나는 GM미생물의개발이나산업화과정에서나타날수있는안전성문제이고다른하나는 GM미생물을활용해생산한고분자및저분자물질의허가화사용에관한제품의안전성문제입니다. 이두가지안전성문제는이미국내외적으로주목하고있는문제로이에대해서는법적규제체계가마련되어있거나마련중에있습니다. 유전자변형생물체를개발하는과정에서인체및환경위해성에대한시험평가를진행하고있으며안전관리계획에따라이를개발하거나이용하는연구시설및생산공정시설에대한안전관리를시행하고있습니다. 우선유전자변형생물체를개발하는과정에서인체및환경위해성에대한시험평가를진행하고있으며안전관리계획에따라이를개발하거나이용하는연구시설및생산공정시설에대한안전관리를시행하고있습니다. 특히 2012 년개정된 유전자변형생물체의국가간이동등에관한법률 (LMO법 ) 에서이를규정하고있는데 생산공정이용시설의설치허가등 ( 제22조의 3 및제22조의 4) GM미생물을생산공정중에이용하는시설을설치하려는자는관계중앙행정기관의장으로부터허가를받거나관계중앙행정기관의장에게신고를하게하였으며 GM미생물을생산공정시설에이용하려는경우에는관계중앙행정기관의장으로부터승인을받도록한것입니다. 또한미생물생산물의허가와사용에관한제품의안전성문제를살펴보면미생물이생산한최종제품은정밀화학소재용특수기능성효소, 혁신적인발현시스템을기반으로한유전자재조합의약품등의고분자물질이될수있으며, 또한대사과정이재설계된고기능성미생물을이용한유용대사산물등의저분자물질이될수있습니다. 이러한고분자및저분자의미생물생산물을제품으로산업화하기위해서는최종제품및그원료에대한안전성검증이필요하며, 이는그제품의용도와출처에따라법적으로반드시수행하여야할항목이결정되어있습니다. 18 BioSafety vol.14 no.3 2013