출처 : BioINpro (BioIN + Professional) : 전문가의 시각에서 집필한 보고서 제공 - 생명공학정책연구센터

2020 바이오미래유망기술(상)

무세포 합성생물학 연구개발 동향 및 전망

충남대학교 공과대학 응용화학공학과 김동명

1. 개요와 현황

1961년 Nirenberg와 Matthaei는 세포 파쇄액내에 도입된 mRNA가 파쇄액 내에 존재하는 단백질 합성기구들에 의해 단백질로 번역될 수 있음을 발견하고, 이를 유전자 코드의 해독에 이용하였다 (Nirenberg and Matthaei, 1961).

세포로부터 추출된 리보조옴 등의 단백질 합성기구가 적절히 조절된 조건 하에서 활성을 나타낼 수 있음을 증명한 이들의 연구는 1960~70년대에 거쳐 대장균의 락토오스 오페론 및 트립토판 오페론의 작동 기작을 밝히는데 이용되는 등, 주로 단백질 합성의 분자기작 규명을 위한 유용한 도구로서 이용되었다.

살아있는 세포 활성에 의존하지 않고 세포로부터 추출된 단백질 합성 기구를 세포 바깥의 환경에서 이용하는 이러한 개념의 무세포 단백질 합성 기술은, DNA 중합효소를 이용하여 시험관 내에서 DNA를 합성하는 polymerase chain reaction (PCR)에 비교될 수 있을 것이다.

그러나, 재조합 DNA 중합효소의 안정적인 활성에 의해 수 십 사이클의 증폭반응을 수행하는 PCR기술과 달리 초기 무세포 단백질 합성 시스템 내에서 단백질 합성기구들은 제한적인 활성과 안정성을 가지고 있어 이들에 의해 생산된 단백질은 양은 방사선 동위원소를 사용하여야만 측정할 수 있는 수준으로 낮아, 무세포 합성 시스템은 재조합 단백질의 ‘생산’수단으로는 받아들여지지 못하였다.

그러나, Spirin등은 1988년 Science지에 게재한 논문을 통해 리보조옴을 포함한 단백질 합성기구들 역시 적절한 생화학적 환경이 조성될 경우 매우 오랜 시간동안 단백질 합성 활성을 유지할 수 있다는 것을 입증하였으며 최적화된 단백질 합성 조건을 유지하기 위한 수단으로 연속식 무세포 단백질 합성시스템 (continuous flow cell-free protein synthesis system, CFCF)을 고안하였다 (Spirin et al., 1988).

그림 1A에 도식된 바와 같이 CFCF시스템은 단백질 합성기구들을 가지고 있는 반응액에 지속적으로 단백질 합성 반응의 기질을 포함한 용액을 흘려보냄으로써 단백질 합성의 최적조건을 유지하는 개념으로 작동하게 되며 반응기를 통한 연속적인 기질 용액의 흐름을 위해 반응기에 한외여과막을 장착하고 여과막 안쪽에서 단백질 합성이 일어나도록 설계되었다.

이러한 반응장치를 수 십 시간 동안 운전함으로써 단백질이 무세포 합성 반응을 통해 연속적으로 합성할 수 있음을 증명하였고, 이러한 결과는 무세포 단백질 합성 시스템이 유의미한 수준의 생산성을 가지는 단백질 합성기술로 이용될 수 있음을 입증하며 뒤이은 많은 연구들에 영감을 제시하였다.

...................(계속)