효모를 이용한 단백질 대량 분비 발현

한국생명공학연구원 성봉현 박사

1. 개요
최근 많은 산업이 ‘친환경’을 강조하며 ‘natural’, ‘bio’ 라는 말을 강조하고 있다. 제약 산업에서는 바이오의약품의 중요성이 부각되고 있고, 산업적 촉매로서 효소의 가치가 더욱 커지고 있다. 1982년 재조합 인슐린이 처음으로 소개된 이후 전세계 의료용 단백질 시장은 급속하게 팽창해 왔다. 현재 170종 이상의 단백질과 펩타이드가 FDA에서 승인되어 사용되고 있으며 2020년에는 전세계 단백질 의약품 시장이 3,200억 달러 규모에 이를 것으로 예측되고 있다. 산업용 효소 역시 2015년 46억 달러에서 2024년에는 약 100억 달러 이상으로 성장할 것으로 예상되고 있다(의약품 시장은 시장가치이고, 산업용 효소는 효소 자체의 가격이라 직접적으로 규모를 비교하기는 어렵다). 이렇게 중요한 단백질이 자연계에서는 많이 생산되지 않으므로, 의약용이나 산업용 유용단백질들을 재조합 방법을 통해 대량생산하는 것이 중요하다.

의약용 단백질의 경우, 대장균을 비롯하여 효모, 동물 세포 등에서 많이 생산되고 있다(표 1). 많이 사용되는 단백질 생산 host는 저마다 다양한 특징이 존재하는데(표 2), 그 중 진핵생물인 효모 Saccharomyces cerevisiae는 GRAS (generally recognised as safe) 균주로 여러 장점을 가지고 있다. 비록 과당화(hyperglycosylation)가 일어나지만 이를 제외하고는 고등생물과 유사한 분비 경로 및 발현이후 변형(post-translational modification) 시스템을 가지고 있다. 그래서 대장균에서는 inclusion body로 발현되는 고등생물 유래 복잡한 단백질을 효과적으로 저렴하게 생산할 수 있다. 단백질 분비생산, 정제 측면에서 박테리아에 비해 유리하기 때문에 산업적으로 이용하기 위한 시도가 많았다. 효모는 리터당 수 그램 이상의 단백질을 생산하는 능력을 가지고 있지만, 목적단백질에 따른 생산량은 천차만별이다. 예를 들어 human serum albumin과 human gelatin의 경우에는 효모 Pichia pastoris에서 수 g/L를 분비한다(1,2). 하지만 의약용 단백질인 human interleukin-2, granulocyte-colony stimulating factor, platelet-derived growth factor는 아주 적은 양이 분비된다(3-5). 이처럼 단백질에 따른 생산성 차이 때문에 실험을 해보기 전까지는 아무것도 알 수가 없고, 이는 목적 단백질이 바뀔 때마다 다양한 방법과 조건에서 실험해야 한다는 문제가 있다. 따라서 분비능력이 제한적인 야생형 S. cerevisiae를 대사공학을 통하여 분비 능력을 향상 시키려는 시도가 많이 이루어 졌고, 이를 통하여 down-stream process의 비용을 감소시키고자 하였다. 이 글에서는 yeast S. cerevisiae에서 단백질 분비 증가를 위한 최근의 연구들을 소개하고자 한다.