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김지현 교수, 김기태 박사 등 "대장균 세포공장의 유전체공학과 적응진화 연구에 중요한 진전"
작성일
2023.01.13
작성자
시스템생물학과 관리자
게시글 내용

김지현 교수, 김기태 박사 등 "대장균 세포공장의 유전체공학과 적응진화 연구에 중요한 진전"


시스템생물학과 김지현 교수와 김기태 박사 등이 합성생물학 기술을 적용하여 대장균에 추가적인 복제개시부위(oriC)를 삽입함으로써 세포의 생장속도와 바이오매스 생산량을 증대시킬 수 있음을 최초로 증명한 결과가 Springer Nature의 BioMed Central (BMC)에서 출판하는 미생물 세포공장 전문 학술지인 Microbial Cell Factories(2021년 IF=6.352)에 “Escherichia coli cell factories with altered chromosomal replication scenarios exhibit accelerated growth and rapid biomass production” 제목으로 게재되었다.

진핵생물과 달리 세균은 염색체당 1개의 복제개시부위를 가지고 있다. 양희진 학생을 포함한 연구팀은 복제개시부위를 대장균의 유전체 내에 추가적으로 삽입하거나 원래 가지고 있는 복제개시부위를 결실시켜 다양한 수의 복제개시부위를 가지는 균주들을 제작하였다. 이후 연구팀은 세포의 염색체 복제 특성과 세포주기를 분석하였고, 그 중 3개의 복제개시부위를 가지는 O3 lacZ dadX 균주가 야생형 모균주에 비해 상대적으로 증대된 생장속도와 바이오매스 생산량을 가지는 것을 확인하였다.

또한, 김기태 박사는 학위논문 연구로 모균주와 O3 lacZ dadX 균주를 조상균주로 활용하여 실험진화 수행과 오믹스 분석을 통해 대장균 집단의 전사체 변화 정도가 집단의 진화적 적응성을 결정할 수 있는 요인으로 작용할 수 있다는 결과를 미국미생물학회(ASM)에서 출판하는 미생물학 분야 온라인 오픈액세스 학술지인 Microbiology Spectrum(2021년 IF=9.043)에 “Transcriptional potential determines the adaptability of Escherichia coli strains with different fitness backgrounds” 제목으로 게재하였다.

연구팀은 야생형 균주와 환경 적합도가 증대된 O3 lacZ dadX 균주를 조상균주로 활용하여 약 2,000 세대 동안의 실험진화를 수행하였으며, 그 결과 이 두 대장균의 환경 적합도가 수렴하는 것을 발견하였다. 이후 진화된 집단의 유전체 서열 분석을 통해 서로 다른 대립 유전자 빈도를 가진 다양한 돌연변이를 규명하였고, 조상균주에 실험진화 과정에서 발생한 돌연변이를 도입했을 때, 초기 환경 적합도가 높은 O3 lacZ dadX 에서 돌연변이의 유익한 효과가 더 낮은 경향이 있다는 것을 확인하였다. 추가적으로 연구팀은 진화된 대장균 집단의 전사체 분석을 통해 유전자 발현량 변화와 유전자 온톨로지 풍부도가 초기 적합도가 낮은 야생형 후손에서 크다는 것을 보여주었고, 전사체의 비유사성이 상대적인 환경 적합도와 비례한다는 것을 최초로 밝혀냈다.

적응진화 과정에서 세균 집단은 여러 돌연변이를 포함하는 세포들이 혼재해 있고, 돌연변이 간에 상위성을 보이며, 역동적인 환경 조건을 가지고 있기 때문에 집단의 적응성을 예측하는 것은 어렵다고 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 연구팀은 차세대 염기서열 분석과 대용량 서버를 활용한 서열 데이터 분석을 활용해 유전체 및 전사체 정보를 해독하여 세균 집단의 진화 동역학을 규명하였다.

김지현 교수는 “이 연구는 세균의 진화 궤적이 복잡하고 직관적이지 않을 수 있지만, 전사체의 변화가 세균의 적응성에 주요하게 기여할 수 있다는 것을 입증한 사례로서, 특정 기간 동안의 집단의 적응성은 세균 집단 자체가 가지고 있는 고유한 유전적 능력에 달려 있다는 것을 보여준다.”라고 연구의 의의를 설명했다.


논문정보

● 논문주소: https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12934-022-01851-z

● 논문주소: https://journals.asm.org/doi/10.1128/spectrum.02528-22

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