Downregulation of the Nb-SABP2 gene promotes transient recombinant protein accumulation in N. benthamiana

현대 생명공학의 세계에서 과학자들은 종종 의약품, 백신, 그리고 산업용 효소를 생산하기 위해 자연의 가장 효율적인 공장들을 주목합니다. 수십 년 동안 표준적인 방식은 박테리아나 포유류 세포를 거대한 통에서 배양하는 것이었으나, 이 과정은 느리고 비용이 많이 들며 빠르게 규모를 키우기 어렵다는 단점이 있습니다. 식물은 매력적인 대안을 제시합니다. 식물은 빠르게 성장하며, 햇빛과 물만 있으면 됩니다. 또한 다른 시스템들이 만들기 어려워하는 복잡한 단백질을 생산하도록 설계될 수 있습니다. 모든 식물 종 중에서, '니코티아나 벤타미아나(Nicotiana benthamiana)'로 알려진 특정 종류의 담배는 이러한 종류의 "분자 농업(molecular farming)"을 위한 선호되는 작업 역군이 되었습니다. 이 식물의 인기는 독특한 생물학적 특성에서 비롯됩니다. 즉, 외래 유전 물질을 받아들여 이를 매우 빠르게 단백질로 전환하는 능력이 탁월하다는 점입니다. 하지만 이 속도에는 대가가 따릅니다. 과학자들이 식물에 외래 유전자를 도입하면, 식물의 자체 면역 체계가 침입자를 위협으로 인식하고 방어 기제를 가동합니다. 식물에게는 자연스러운 현상이지만, 이 방어 반응은 생산의 브레이크 역할을 하여 수확할 수 있는 유용 단백질의 양을 제한합니다.

연구자들의 핵심 과제는 식물을 건강하게 성장하게 유지하면서도, 동시에 최대 단백질 생산을 허용할 만큼만 면역 체계가 물러나도록 설득하는 방법입니다. 식물의 방어 무기 중 핵심적인 역할을 하는 요소 중 하나는 살리실산(salicylic acid)이라는 호르몬입니다. 자연 상태에서 이 호르몬은 신호탄 역할을 하여 식물에 감염 사실을 알리고 보호 조치를 촉발하는 일련의 과정을 일으킵니다. SABP2라고 불리는 식물 내의 특정 단백질은 이 경보 시스템을 활성화하는 데 도움을 주는 스위치 역할을 합니다. 식물이 위협을 감지하면, SABP2는 침묵 상태인 화학적 신호를 활성 형태의 살리실산으로 전환하여 식물의 방어력을 결집시킵니다. 연구자들이 던진 질문은 이 특정 스위치의 볼륨을 낮춤으로써, 식물이 보호 기능의 결핍 없이도 원하는 단백질을 더 많이 생산할 수 있을 것인가 하는 점이었습니다.

최근 독일의 율리우스 퀴른 연구소(Julius Kühn Institute) 연구진은 SABP2 단백질을 만드는 책임 유전자를 의도적으로 약화시킨 버전의 담배 식물을 만들어 이 아이디어를 테스트했습니다. 그들은 유전자를 완전히 제거하지 않았는데, 이는 식물이 질병에 너무 취약해지거나 성장이 저해될 수 있기 때문입니다. 대신, 그들은 SABP2 생산량을 줄이는 기술을 사용하여 본질적으로 식물의 경보 울림 능력을 낮추었습니다. 그런 다음, 특정 단백질을 만드는 지침을 전달하도록 설계된 무해한 공학적 바이러스인 바이러스 벡터(viral vectors)를 이 변형된 식물에 도입했습니다. 목표는 경보 시스템이 낮아진 식물이 일반적인 미변형 식물보다 표적 단백질을 더 많이 생산하는지 확인하는 것이었습니다.

결과는 명확하고 측정 가능했습니다. SABP2 수치가 감소한 식물은 정상 식물과 똑같이 잘 자랐으며, 성장 저하나 신체적 기형의 징후도 보이지 않았습니다. 식물은 건강하고 튼튼해 보였습니다. 그러나 과학자들이 빛나는 녹색 단백질을 만들라는 지침을 가진 바이러스 벡터를 도입했을 때, 변형된 식물은 일반 식물보다 훨씬 더 많은 양의 단-녹색 단백질을 생성했습니다. 가장 성능이 좋았던 변형 계통에서는 빛나는 단백질의 축적량이 표준 식물보다 2~3배 더 높았습니다. 이 효과는 단 하나의 단백질이나 하나의 바이러스 벡터에 국한되지 않았습니다. 연구진은 신경 세포의 성장을 돕는 단백질을 포함한 다양한 조합을 테스트했으며, 생산량의 증가를 동일하게 확인했습니다.

이러한 성공의 기저에는 식물의 우선순위에 따른 상충 관계(trade-off)가 있는 것으로 보입니다. 연구진은 SABP2 유전자를 줄임으로써 식물의 바이러스 벡터에 대한 면역 반응을 효과적으로 늦췄습니다. 식물이 전달체에 대해 격렬하게 싸우지 않았기 때문에, 바이러스는 식물 세포 내에서 더 자유롭게 증식할 수 있었습니다. 이러한 바이러스 활동의 증가는 표적 단백질의 높은 생산량으로 직결되었습니다. 연구진은 변형된 식물에서 바이러스 유전 물질 자체가 훨씬 더 많이 존재한다는 것을 확인했으며, 이것이 표적 단백질 생산을 촉진했습니다. 연구진은 이 방식이 서로 다른 시점과 서로 다른 유형의 바이러스 벡터에 걸쳐 일관되게 작동한다는 것을 발견했으며, 이는 이 방법이 견고하고 신뢰할 수 있음을 시사합니다.

이 연구는 식물 기반 단백질 생산의 오랜 병목 현상에 대한 실질적인 해결책을 제공합니다. 이는 식물의 전반적인 건강이나 성장에 해를 끼치지 않으면서, 생산 도구에 대한 식물의 반응성을 미세하게 조정하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 이 결과는 식물의 내부 방어 신호를 주의 깊게 관리함으로써, 과학자들이 바이오 의약품 제조를 위한 더 효율적인 환경을 조성할 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 이 방법이 모든 가능한 단백질이나 바이러스에 적용된다고 주장하거나, 변형된 식물이 모든 질병에 면역력을 갖게 된다고 제안한 것이 아닙니다. 그보다는, 테스트된 특정 시스템에 있어서 단일 방어 경로를 약화시키는 것이 수확량의 상당하고 재현 가능한 증가를 가져왔음을 보여주었습니다. 이 접근법은 의약품 및 기타 가치 있는 단백질을 빠르고 대규모로 생산하고자 하는 연구자들에게 새로운 도구를 제공하며, 식물의 자연 방어를 장애물이 아닌 관리 가능한 변수로 바꾸어 놓았습니다.