과학자들이 효모 합성유전체를 만들기 위한 15년 간의 연구 끝에 효모 염색체 16개 모두를 인공적으로 합성하는 데 성공, 인공 DNA를 50% 이상 포함한 인공 효모 세포를 만드는 데 성공했다.
합성효모게놈(Sc2.0) 프로젝트의 국제 연구 컨소시엄은 천연 효모인 '사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)'를 기반으로 16개의 효모 염색체를 인공적으로 합성하고 그 중 7.5개의 합성 염색체를 교배시켜 얻은 효모 세포가 큰 문제없이 생존했다는 연구결과를 8일(현지시간) 국제 학술지 '셀', '몰레큘러 셀', '셀 노믹스' 등에 논문 10여편을 통해 공개했다.
미국, 영국, 프랑스, 호주 등 다국적 연구팀이 2007년 시작한 국제 연구 컨소시엄 Sc2.0은 유전체(게놈) 전체를 인공적으로 합성한 '인공효모'를 개발하는 프로젝트다. 바이러스나 박테리아의 유전체를 합성한 사례는 이전에도 있지만 이처럼 단순한 유전적 구조를 넘어 염색체가 여러 개에 핵을 가진 유전체를 인공 합성하려는 시도는 Sc2.0 프로젝트가 처음이었다.
효모는 세포 내에 유전물질을 포함하는 핵을 가진 진핵생물이다. 인간을 포함한 동물, 식물은 세포 내에 핵을 갖고 있으며 핵 안에 유전 물질이 저장돼 있다. 연구팀이 인공 효모를 만드는 데 성공한다면 인류는 처음으로 100% 인공 유전체 생물을 만드는 셈이다. 연구팀은 앞서 2017년, 연구를 시작한 지 10년 만에 16개로 이뤄진 효모의 염색체 중 6개를 합성했다는 결과를 발표한 바 있다.
합성은 A(아데닌), G(구아닌), T(타민), C(시토신) 등 4종류의 염기를 합성한 DNA로 합성 염색체를 만든 뒤, 이를 실제 효모의 염색체와 바꿔 넣는 방식으로 이뤄진다. 염색체 16개 중 1개만 합성 염색체로 교체한 뒤 그 비율을 점점 늘려가는 식이다. 연구팀은 이를 통해 합성 염색체 15개와 천연 염색체 1개를 가진 합성 효모 유전체 16개를 만드는 데 성공했다.
이중 7.5개의 합성 염색체를 하나의 단일 세포로 옮기기 위해 합성 염색체를 포함한 효모 균주를 만들었다. 이때 활용된 효모 균주는 전체 DNA 중 31%가 인공적으로 합성된 염색체로 이뤄져 있었다. 기존 효모 균주와 비교할 땐 약간의 결함이 있었지만 수정 가능한 수준이라고 연구팀은 밝혔다.
이어 합성 염색체를 포함함 효모 균주와 기존 효모 균주를 교배했다. 여러 합성 염색체를 가진 효모를 교배해 얻은 자손을 얻고, 자손 가운데 합성 염색체를 가진 효모를 찾아냈다. 이는 유전학자 그레고르 맨델이 완두를 이용한 교배 실험을 통해 유전 법칙을 찾아낸 것에서 기인했다.
이 과정을 반복한 결과 합성 염색체가 유입되는 큰 변화에도 불구하고 7.5개의 합성 염색체를 포함한 효모 세포는 마지막까지 생존했다. 이 효모 세포가 포함한 인공 DNA의 비율은 50% 이상이었다.
연구팀은 이어 효모의 16개 염색체 모두를 같은 방법으로 합성하고, 이 과정에서 생기는 오류를 수정하는 중이라고 설명했다. 이 과정을 성공적으로 마칠 경우 인류 최초로 100% 인공 유전체로만 이뤄진 인공 진핵생물이 탄생할 것이라는 전망이다. 연구를 이끈 패트릭 카이 영국 맨체스터대 교수는 "합성생물학의 혁명을 일으킬 수 있는 연구 결과"라고 평했다.
- 박건희 기자wissen@donga.com