KRICT 한국화학연구원

- 분자 모델링 기반 합성생물학 기술을 통해 30배 향상된 인공세포 저장 능력의 명품 세포 소기관 구현

- 세계적 권위 학술지인 'Nature communications' 6월호 논문 게재

□ 생명 시스템을 재설계하여 새롭게 제작하는 합성생물학 기술이 전 세계적으로 바이오 기술패권의 핵심 게임체인저로

    자리매김하고 있는 가운데, 국내 연구진이 살아있는 미생물 세포로 고부가가치 의약품 소재의 고효율 생산에서부터

    소재 맞춤형 저장까지 올인원(all-in-one) 공정이 가능한 ‘비스포크(BESPOKE) 인공세포 소기관’을 새롭게 개발하였다.

   ○ 한국화학연구원(원장 이미혜) 이주영 박사, 포스텍 오승수·손창윤 교수 공동 연구팀은 최근 발표된 연구에서 바이오

       전 분야에 활용할 수 있는 고부가가치 의약품 소재 생산 및 고집적 저장을 위해 인공 '지질방울 소기관(lipid droplet organelle)'*을

       성공적으로 개발하였다.

       * 지질방울 소기관: 세포 안에서 과잉 생산되는 지방의 축적·저장 기관

   ○ 본 성과는 데이터 과학과 컴퓨터 모델링을 접목한 합성생물학의 대표적 성공 사례로, 살아있는 미생물 세포의 디자인과 재설계를 통해

       의약품, 헬스케어 소재 등 바이오·의약 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다.

□ 기존 바이오 분야 연구의 취약점인 생명현상의 복잡성과 다양성에 의한 불확실성(비예측성), 기술개발 소요 기간, 그에 따른 막대한 비용 등의

    문제를 극복하기 위해 '예측가능한 고성능 세포 시스템'을 디자인하고 제작할 수 있는 합성생물학 기술 개발이 필요하였다.

   ○ 이에 따라, 화학연-포스텍 공동 연구팀은 분자 거동을 정밀 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 과정을 통해 ▲맞춤형 인공 세포를 활용한

       고부가 가치 의약품 소재 생산의 가능성을 제시하였고, ▲실제 미생물 세포를 인공적으로 디자인하고 재설계하였다.

   ○ 그 결과 인공 미생물 세포가 생산하는 '스쿠알렌', '지아잔틴' 등 바이오 의약품 소재 및 헬스케어 소재의 고집적 저장에 최적화된

       '지질방울 소기관'을 성공적으로 개발하였다.

□ 본 연구에 의하면 지방 및 지질 등의 지용성 분자는 구조적 특성에 따라 크게 두 가지 형태*로 분류된다. 연구팀은 이러한 지용성 분자와

    세포 내 지질방울 소기관과의 물리화학적 상호작용과 세포 내 움직임을 컴퓨터 기반 분자 시뮬레이션으로 계산하고 그 구조적 특성에 따르는

    독특한 저장 메커니즘을 새롭게 밝혔다. 

    * 유연-웜형(flexible-worm) 및 강성-막대형(rigid-rod)

   ○ 구체적으로, 지용성 분자는 기름 방울 속에 잘 녹아들어간다는 일반적 인식과는 달리, 소수성* 결합을 통해 '지질방울 소기관' 표면과 1차적으로

       상호작용하더라도, 지용성 분자의 형태적 다변성에 따라 지질방울 내부로 침투 여부가 결정될 수 있음을 세계 최초로 규명하였다.

       * 소수성(hydrophobic) : 기름과의 친화력이 높은 성질.

   ○ 지용성 분자의 구조적 저장 메커니즘을 적극적으로 활용하고자, 미생물 세포 내 지질방울 소기관 생성 기작을 인공적으로 리모델링하였다.

       ▲유연-웜형 분자용 소기관 내부 크기를 극대화하고, ▲강성-막대형 분자용 소기관 표면적을 극대화한 소기관을 각각 개발하여

       맞춤형 인공 미생물 세포를 생산하였다.

   ○ 지용성 분자는 정상 세포 내에 과잉 축적되면 세포막을 녹이는 독성을 유발하여 세포 생성과 성장을 저해한다. 따라서 지용성 분자를

       지질 방울 안에 저장시키면 세포 독성을 줄여 세포의 생존력을 높일 수 있게 되는 것이다.

   ○ 이러한 맞춤형 저장이 가능한 ‘지질방울 소기관’ 기술로 인공세포 저장 능력을 30배 이상 향상시켜, 세포가 안전하게 살 수 있는 환경을

       제공할 수 있다. 이 기술을 통해 의료용 지용성 분자 생산에 최적화된 차세대 인공 미생물 세포 개발 기술로 활용이 가능할 것으로 전망한다.

   ○ 화학연 이주영 박사는 “바이오 대전환 시대를 맞아 살아있는 세포를 산업적 니즈에 맞게 맞춤형으로 디자인하고 인공적으로 개발할 수 있는

       합성생물학 기술 확보를 통해 대한민국이 글로벌 기술패권시대에 과학기술 주권 국가 역할을 할 수 있기를 희망한다.”라고 말했다.

   ○ 이번 연구결과는 세계적 권위 학술지인 'Nature communications(IF : 17.694)' 6월호 논문으로 게재되었다.

   ○ 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업 및 과학기술정보통신부 석유대체 친환경 화학기술개발사업으로 수행하였다.