Engineering of CRISPR-BrCas12b System for Efficient Genome Editing in Thermophilic Bacteria
본 연구는 호열성 박테리아인 *Thermus antranikianii*에서 45–70°C의 온도에서도 정밀한 게놈 편집이 가능한 열안정성 CRISPR-BrCas12b 시스템의 개발을 보고하며, 이를 통해 기존 도구의 한계를 극복하고 차세대 세포 공장으로서의 활용을 가능하게 한다.
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미생물의 세계 깊은 곳에는 열이 장벽이 아니라 오히려 안식처가 되는 영역이 존재합니다. 이들은 온천이나 심해 열수구와 같이 뜨거운 환경에서 번성하는 호열성 박테리아로, 대부분의 다른 생명체라면 즉사할 법한 온도에서 가장 잘 성장합니다. 과학자들에게 이 열을 사랑하는 유기체들은 단순한 생물학적 경이로움을 넘어 미래를 위한 잠재적 공장입니다. 이들은 매우 극심한 열 속에서 살아가기 때문에, 값비싼 냉각 시스템 없이도 산업 공정에서 효율적으로 작동할 수 있는 매우 안정적인 효소를 생산합니다. 그러나 이들을 제조에 활용하는 것은 어려웠습니다. 미생물을 공장으로 바꾸기 위해서는 유전 코드를 재작성할 수 있어야 하는데, 이 과정을 게놈 편집이라고 합니다. 수십 년 동안 유전자를 편집하는 데 사용된 도구들은 인체의 체온에서는 잘 작동했지만, 이 호열성 박테리아가 필요로 하는 열기 속에서는 처참하게 실패하며 방대한 생물학적 잠재력을 미개척 상태로 남겨두었습니다.
순와트-센 대학교(Sun Yat-sen University)의 연구팀은 이제 열 속에서 작동하도록 특별히 설계된 새로운 도구를 개발하여 이 간극을 메웠습니다. 그들은 성장이 빠르고 유전 구조가 간결하여 산업적 용도로 이상적인 후보인 열을 좋아하는 미생물, Thermus antranikianii에 주목했습니다. 문제는 표준적인 유전자 편집 도구들이 Cas9이라 불리는 분자 기계에 의존하는데, 이 도구들이 이 박테리아가 번성하는 섭씨 60도의 온도에서는 단순히 작동할 수 없었다는 점이었습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 BrCas12b라는 다른 분자 기계로 눈을 돌렸습니다. 더 유명한 사촌 격인 모델과는 달리, BrCas12b는 천연적으로 고온에서 안정적입니다. 연구진은 이 단백질을 가져와 Thermus anaminanikianii 내부에서 작동하도록 적응시켰으며, 박테리아의 뜨거운 환경 내에서 DNA를 정밀하게 자르고 편집할 수 있는 시스템을 구축했습니다.
이 새로운 시스템의 핵심 성과는 작동 방식에 있습니다. 연구진은 분자 가위처럼 작동하는 소형 유전 도구를 만들었습니다. 이 도구는 절단을 수행하는 BrCas12b 단백질과, 가위를 편집이 필요한 DNA의 정확한 지점으로 안내하는 GPS 역할을 하는 가이드 RNA로 구성됩니다. 연구팀은 이 시스템을 다양한 온도 범위에서 테스트했으며, 섭씨 45도에서 70도 사이에서 높은 정밀도로 작동한다는 것을 발견했는데, 이는 박테리아의 성장 조건과 완벽하게 일치합니다. 그들은 이 시스템이 섭씨 65도에서 가장 효율적이라는 것을 발견했습니다. 또한, 이 도구가 어디를 자를 수 있는지 지도를 작성했습니다. 이 도구는 DNA 서열에서 특정 세 글자 코드를 찾아 시작 지점을 파악하는데, 연구진은 이 도구가 TTN 패턴을 인식하며 특히 TTT와 TTC 서열을 선호한다는 것을 발견했습니다. 이를 통해 시스템은 박테리아 전체 게놈 전반에 걸친 광범위한 편집 가능 부위에 접근할 수 있어, 과학자들에게 유전적 변형을 위한 방대한 선택지를 제공합니다.
시스템의 작동을 증명하기 위해, 연구진은 먼저 유전자를 끄는 능력을 테스트했습니다. 그들은 이 도구를 β-갈락토시다아제(β-galactosidase) 효소를 생성하는 유전자와 함께 박테리아에 도입했습니다. 편집 도구가 켜졌을 때, 도구는 성공적으로 유전자를 잘랐고 박테리아는 효소 활성이 크게 감소한 모습을 보였는데, 이는 시스템이 특정 유전자를 효과적으로 비활성화할 수 있음을 나타내며, 이는 박테리아의 작동 원리를 이해하는 데 중요한 단계입니다. 다음으로, 연구진은 새로운 유전 물질을 삽입하는 능력을 테스트했습니다. 그들은 박테리아 게놈의 특정 위치에 새로운 DNA 조각을 삽입하는 것을 목표로 했습니다. 시스템은 표적 부위에서 성공적으로 절단을 수행했고, 박테리아 자체의 복구 기제가 의도한 위치에 정확히 새 DNA를 꿰매어 붙였습니다. 이는 이 도구가 유전자를 끊을 수 있을 뿐만 아니라 새로운 지침을 게놈에 추가할 수 있다는 것을 확인시켜 주었으며, 이는 복잡한 생물학적 회로를 구축하는 데 필수적인 능력입니다.
이 연구의 중요성은 단일 박테리아를 넘어 확장됩니다. 연구진은 이 도구가 동일한 온도 범위 내에서 성장한다면 다른 호열성 박테리아에도 사용될 수 있을 만큼 다재다양하다는 것을 보여주었습니다. Thermus antranikianii의 유전자를 편집할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법을 제공함으로써, 그들은 이 유기체를 연구 및 산업 분야에서 활용하는 데 걸림돌이 되었던 주요 병목 현상을 제거했습니다. 이러한 새로운 능력은 이 미생물들이 가치 있는 내열성 효소를 생산하거나, 뜨거운 조건에서도 효율적으로 작동하는 견고한 세포 공장으로서 기능하도록 엔지니어링하는 길을 열어줍니다. 이 내열성 편집 플랫폼의 개발은 다루기 까다로운 미생물을 관리 가능하고 강력한 도구로 변화시킴으로써, 녹색 제조를 위한 합성 생물학의 실질적인 진전을 의미합니다.
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