생명공학연구원 "유전자가위 한계 넘은 고효율 다중 유전체편집 기술 개발"

리보자임 이용한 가이드 RNA의 효율적인 합성과 반복적 배열로 크리스퍼 유전자가위 다중 유전체 편집 효율 향상 바이오파운드리 기반 자동화된 유전자 설계·합성·검증시스템에 적합해 의료·산업용 균주 개발 적용 기대

이대희 박사 연구팀(좌측 첫번째 연구책임자 이대희 책임연구원).©한국생명공학연구원

한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 합성생물학연구센터 이대희 박사 연구팀은 합성생물학 기술을 바탕으로 새로운 sgRNA 배열 방식을 개발해 유전자 편집의 효율성과 안정성을 크게 높이는 고효율 다중 유전자 편집 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

크리스퍼(CRISPR) 유전자가위 기술은 특정 유전자만 정확하게 골라내어 편집할 수 있는 높은 정밀도를 가지고 있어 생명공학 분야의 혁신적인 기술로 주목받고 있다. 크리스퍼 기반 유전자 편집 기술을 이용해 여러 유전자를 동시에 편집할 경우 카스(Cas) 단백질이 해당 유전자들에게 도달하도록 가이드 역할을 하는 sgRNA(single-guide RNA)를 편집하고자 하는 유전자 개수만큼 반복해서 배열해야 한다. 그러나 해당 sgRNA들의 서열이 매우 유사하여 반복적으로 배열할 경우 DNA 합성 실패, 플라스미드 불안정성, 재조합 오류 등이 빈번하게 발생하는 한계점을 갖고 있다.

연구팀은 외부의 유도물질 없이도 스스로 RNA를 절단할 수 있고, 주변 유전자의 영향을 받지 않으면서도 정확하고 안정적으로 sgRNA를 발현할 수 있는 리보자임(RiboJ) 기술을 활용했다. 

이를 통해 여러 개의 sgRNA를 효율적으로 처리하는 RAMBE(RiboJ-Aided Multiplexed Base Editing) 시스템과 반복되는 유전자를 서열 없이 배열할 수 있는 NR(Non-Repetitive)-RAMBE 시스템을 개발했다.

해당 기술을 대장균에 적용해 실험한 결과 한 번에 6개 이상의 유전자를 동시에 편집할 수 있어 부티르산 생산량을 최대 7배 증가시켰으며, 아세트산 소비도 조절하여 전체 대사경로 최적화에도 성공했다.

연구에 사용된 균주는 사람의 장내 환경과 유사한 조건에서도 잘 자라는 프로바이오틱스 활용 대장균(E. coli Nissle 1917)으로 산소가 매우 적은 환경에서도 안정적인 생산성과 편집 효율을 보여 실용화 가능성을 높였다.

특히 NR-RAMBE 시스템은 기존 RAMBE보다 더욱 진화된 방식으로 sgRNA의 반복 서열이 제거되어 DNA 합성과 조립 과정이 훨씬 단순해졌고, 유전자 합성의 복잡성이 약 7배 줄어 유전자 편집의 실패율도 대폭 감소했다.

이번 실험에서 주목할 점은 유전자를 동시에 6개까지 편집했음에도 기존 시스템과 비슷한 수준의 높은 편집 효율을 보여줬다는 것이다.

이번에 개발한 NR-RAMBE 기술은 sgRNA를 코딩하는 DNA를 안정적으로 합성할 수 있어 바이오파운드리(유전자 설계부터 합성, 검증까지 자동화하는 시스템)와 같은 첨단 유전체 기술에 적합하며, 다양한 의료용, 산업용 미생물 개발에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구책임자인 이대희 박사는 “크리스퍼 유전자가위를 이용해 여러 개의 유전자를 동시에 편집할 때 가장 문제가 되었던 sgRNA의 합성과 배열 문제를 합성생물학 기술을 이용해 해결했다는 점에서 큰 의미가 있다”라고 밝혔다.

공동 연구책임자인 이승구 박사는 “이번 기술은 유전자 편집을 세포 내에서 논리적으로 조절할 수 있다는 가능성을 보여준 사례”라고 강조했다.

이번 연구는 2025년 4월 7일 합성생물학 분야의 세계적인 국제학술지 Chemical Engineering Journal (IF 13.4, JCR 상위 2.8%) 온라인판에 게재(논문명 : RiboJ-assisted non-repeated sgRNA arrays for enhanced CRISPR multiplex genome engineering in Escherichia coli / 교신저자 : 이대희·이승구 박사 / 제1저자 : 우승균·김성근 박사 )됐다.

본 연구는 과기정통부 바이오·의료기술개발사업과 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.