생명과학 연구와 생명공학 기술 개발에 가장 널리 쓰이는 모델 생명체인 대장균(Escherichia coli)의 다중 오믹스(omics) 정보가 밝혀졌다.

김지현 시스템생물학과 교수 겸 한국생명공학연구원 바이오합성연구센터 초빙연구원과 윤성호/오태광 한국생명공학연구원 박사 및 이상엽 KAIST 교수 연구팀에서는 유용 단백질과 바이오 중간체 및 화학제품을 만드는 세포공장(cell factory)으로 이용되는 미생물인 대장균(E. coli) 2종의 유전체 정보를 활용하여 전사체(transcriptome), 단백체(proteome), 형질체(phenome) 등 각종 오믹스 정보를 밝혀냈다. 그리고 고성능 컴퓨터를 이용한 인실리코 분석 및 검증을 통해 시스템 수준에서 이들의 대사 네트워크를 재구성하고 비교 분석함으로써 이들을 바이오에너지, 바이오리파이너리 등 바이오산업에 더욱 효과적으로 활용할 수 있는 발판을 마련했다.

연구팀은 대장균 B와 K-12 균주의 각종 오믹스 정보를 시스템 수준에서 통합적으로 분석하여 B 균주가 우수한 아미노산 생합성 능력과 적은 수의 단백질분해효소, 그리고 편모 부재 등 재조합 단백질을 생산하는 데 적합한 특성을 가지고 있다는 것을 밝혀냈다. 또한 단백질을 세포 밖으로 분비하는 시스템을 2개나 보유하고 있고 단백질 분비에 유리한 세포벽과 세포외막 구성을 가지고 있다는 것을 밝혔다. 이에 비해 K-12 균주는 고온에 노출되었을 때 이에 대응하는 유전자를 더 많이 발현하고 몇몇 스트레스 조건에 덜 민감했다.

대장균, 효모와 같이 생명공학에 두루 쓰이는 산업미생물은 효소, 항체 등 유용 재조합 단백질과 더불어 각종 바이오화학제품과 바이오연료를 생산하는 미니 화학공장이라고 할 수 있다. 지금까지는 대사와 생리 및 기능 정보의 부족으로 비효율적인 시행착오(trial and error) 방식에 의해 생물공정의 최적화가 주로 수행되어 왔다. 그런데 이번에 대장균 B와 K-12의 통합 오믹스 정보를 확보함으로써 생체 네트워크를 이해하고 맞춤형 유전체를 설계하며 최적의 발효 및 생산 전략을 수립할 수 있는 전기가 마련된 것이다.

이 연구 결과는 유명 학술저널 '유전체생물학(지놈바이올로지, Genome Biology)'(JCR IF = 9.036) 최신호에 온라인으로 발표됐다.

석유자원의 고갈과 석유화학제품의 사용에 따른 지구 환경오염 및 온난화에 대한 대안으로 친환경 녹색기술 개발의 필요성이 높아지고 있다. 이러한 때 다양한 바이오매스를 활용하여 바이오연료 등 바이오에너지 및 바이오화학제품을 생산하는 고효율 맞춤형 디자이너 미생물 바이오공장 개발을 위해서는 석유화학경제에서 바이오경제로 이행하는 견인차 역할을 할 시스템생물학과 합성생물학의 발전이 필수적이다.

우리대학교는 생명현상을 본질적으로 이해하기 위해서는 분자생물학, 생화학, 생명공학 등이 함께 어우러지고 나아가 NT, IT, MT 등과 융합된 시스템생물학 연구와 교육이 필요함을 강조해 왔다. 이 같은 인식 아래 21세기 생명과학 시대를 주도할 우수한 인재를 양성하기 위해 지난 2008년 이과대학 생물학과와 생화학과, 그리고 공과대학 생명공학과를 통합하여 생명과학기술과 의생명 분야가 융합된 생명시스템대학(http://bio.yonsei.ac.kr/)을 설립하였다.

한편, 이 연구는 21C프론티어사업 미생물유전체활용기술개발사업단(단장 오태광), 글로벌프론티어사업 지능형 바이오시스템 설계 및 합성 연구단(단장 김선창), 그리고 한국연구재단 중견연구자지원사업(도약) 등의 연구비 지원으로 수행되었다.