[쿠키과학] "유전자 조립을 레고처럼 한다"… 생명연, 다중 유전자 조립 자동화 개발

다중 TU 플라스미드 구축을 위한 EffiModular 전략의 개략적 개요. EffiModular는 골든 게이트 조립(GGA)과 효모 기반 상동 재조합을 통합하여 다중 유전자 구조체의 모듈식 조립을 가능하게 한다. 첫 번째 단계에서 Level 0 파트 플라스미드와 커넥터를 GGA를 통해 조립하여 Level 1 전사 단위(TU) 단편으로 조립한다. 각 TU 단편의 양 끝에는 재조합에 필요한 상동성을 제공하는 커넥터 서열(예: S–1, 1–2, 2–E)이 위치하게 된다. 이 TU 단편들은 선별 마커와 복제 원점을 포함하는 선형화된 벡터와 함께 형질전환된다. 효모 매개 상동 재조합은 이러한 단편들을 정의된 순서로 여러 TU를 포함하는 Level 2 플라스미드로 조립한다. 한국생명공학연구원

여러 유전자를 한 번에 조립해 미생물 설계와 균주 구축 공정을 단 3일로 줄이는 고효율 다중 유전자 조립 자동화 기술이 등장했다.

한국생명공학연구원(이하 생명연) 합성생물학연구센터 이대희 박사팀은 단 한 번의 실험으로 최대 8개 유전자를 동시에 조립하면서 80% 이상의 성공률을 확보하는 고효율 모듈형 유전자 조립 플랫폼 ‘EffiModular’를 개발했다.

미생물을 활용해 의약품이나 친환경 소재를 만들려면 여러 유전자가 균형 있게 작동하도록 설계해야 한다. 기존 방식은 필요한 유전자를 하나씩 순차적으로 이어 붙인 뒤 단계마다 결과를 확인해야 해 시간과 인력이 많이 들었고, 성공률도 제한적이었다.

반면 이번에 개발한 기술은 기존 유전자를 하나씩 이어 붙이던 미생물 설계가 한 번에 조립해 수개월 소요되던 공정을 획기적으로 줄이고, 유전자 조립 정확도도 80% 이상으로 높인 것이 특징이다.

이번 연구의 핵심은 짧은 DNA 서열인 '커넥터'를 이용해 유전자 발현 모듈(TU)을 정해진 순서로 스스로 맞물리게 만든 것이다.
커넥터는 TU 경계에 위치해 여러 유전자를 레고 블록처럼 한 번에 연결하도록 돕는다.

이 기술은 체외에서 유전자를 정밀하게 자르고 붙이는 ‘골든 게이트 조립(GGA)’과, 효모 내부에서 DNA가 스스로 결합하는 상동 재조합 능력을 결합했다.

이에 따라 중간 단계인 유전자 단편 제작·정제 과정을 줄이고, TU 단편을 효모에 직접 넣어 단일 공정으로 조립한다.

연구팀은 골든 게이트 조립으로 TU 단편을 만든 뒤 이를 효모에 넣어 한 번에 큰 구조체인 ‘다중 유전자 경로’를 완성하는 방식으로 공정을 단순화했다.

중간에 클로닝·정제·플라스미드 구축 같은 손작업이 줄어 바이오파운드리의 효율성도 높였다.

베타카로틴 생합성 경로를 이용한 EffiModular 시스템의 검증. CrtYB, CrtI, CrtE 유전자들의 도입을 통해 S. cerevisiae에서 베타카로틴 생합성 경로를 구축할 수 있음. CrtYB, CrtI, CrtE를 코딩하는 Level 1 TU 단편들과 선형화된 목적 벡터로, 벡터는 검은색 원으로 표시되며, Level 1 TU 파편들은 흰색 원으로 표시됨. 목적 벡터 대비 Level 1 TU 단편들의 다양한 몰 비율(1:1, 1:2, 1:4)에 따른 형질전환 결과의 정량적 분석으로, 총 콜로니 수와 조립 효율을 보여주며, 실제 실험 결과 목적 벡터 대비 Level 1 TU 단편들의 몰수가 증가할수록 전체 형질전환 효율 및 조립 효율이 비례적으로 증가하였으며, 1:4의 몰비율로 조립을 진행하였을 때 90%가 넘는 조립효율 확인. 한국생명공학연구원

연구팀은 플랫폼의 실제 성능을 확인하기 위해 기능성 소재로 널리 쓰이는 베타카로틴(β-carotene) 생산 경로를 모델로 적용했다.

실험 결과 바이오파운드리에 EffiModular를 얹어 유전자 조합을 바꿔가며 3일 만에 베타카로틴 생산 방식이 서로 다른 효모 균주 120종을 구축했다.

아울러 120종 균주를 분석해 베타카로틴 생산량을 결정짓는 핵심 유전자 ‘crtI’를 찾아내고, crtI의 발현 정도가 전체 생산량을 크게 좌우한다는 사실도 확인했다.

이는 소수의 실험 결과에 의존하던 방식에서 벗어나, 데이터를 바탕으로 미생물 설계를 체계적으로 개선할 수 있음을 보여준다.

이 기술은 신약 후보 물질 개발과 친환경 에너지 생산 등 바이오 산업 전반 연구 시간을 단축할 것으로 기대된다.

특히 수백 개 이상 유전적 변이체를 신속하게 제작할 수 있어 AI 기반 대사 경로 최적화 모델 학습에 필요한 고품질 데이터셋을 공급하는 강력한 도구가 될 전망이다.

이 박사는 “EffiModular는 자동화 연구 인프라와 잘 맞도록 설계해 바이오파운드리 환경에서 고속·대량 실험을 가능하게 한다”며 “앞으로 인공지능(AI) 기반 설계 기술과 결합해 차세대 바이오 연구 핵심 플랫폼으로 활용하겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 UST-생명연스쿨 성민준 석박사통합과정이 제1저자로 수행했고, 연구결과는 지난 14일 국제학술지 'Trends in Biotechnology'에 게재됐다.
(논문명 : Connector-Enabled Integration of Golden Gate Assembly and Yeast Recombination for Streamlined Multi-Gene Pathway Construction in the Biofoundry Workflow / 교신저자 : 이대희 박사 / 제1저자 : 성민준 연구원 / DOI: 10.1016/j.tibtech.2025.12.004)

(왼쪽부터)이대희 박사, 성민준 통합과정생. 한국생명공학연구원