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       박테리아 기반의 유용 단백질 발현전략 최신동향
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       김근중 교수        2018.09.06 11:10        785
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박테리아 기반의 유용 단백질 발현전략 최신동향

 

전남대학교 생물학과 김근중 교수

유수경, 최혜지 박사과정

1.개요 

단백질 발현과 이를 기반으로 한 고생산은 생화학, 생리학 및 면역학 등을 포함한 기초 연구분야뿐만 아니라, 소재, 식품 및 의료 등에 걸친 다양한 산업 분야에서 요구하는 중요한 기반분야이다. 최근 과학과 의학의 발전으로 인간 수명이 늘어나고, 건강하고 행복하게 살아가고자 하는 사회적수요의 증가로 인해, 기능성 단백질 시장은 질병 치료를 위한 의료 분야를 넘어, 질병의 예방이나 미용, 자가면역 증진 등, 과거 천연물 소재 중심이었던 분야까지 영역을 확대하고 있다. 이는 기능성 단백질의 세계시장 규모가 2020 년에는 2,780 억 달러에 이를 것이라는 한국보건산업진흥원의 전망을 통해서도 확인할 수 있다.


단백질 발현과 생산분야에서는 동물 세포, 곤충 세포 및 효모 등 다양한 숙주들이 사용되고 있으며, 이를 제어하기 위한 획기적인 분자생물학적 도구가 개발되어 있다. 이중에서도 대장균은 짧은 배양 시간, 비교적 단순한 배양 조건과 배지를 이용한 고농도 배양의 용이함과 더불어 오랜 기간 축적된 많은 연구결과 등으로 인해 다른 숙주들에 비해 널리 활용되고 있다. 그러나 이종 숙주로부터 유래한 단백질을 본래의 숙주와 다른 folding landscapes를 갖는 대장균에서 과발현 시킬 경우에 나타나는 현상들(기능이 없는 불용성 발현 혹은 낮은 발현율)은 잘 알려진 한계점이다. 그럼에도 불구하고 목적 단백질의 발현에 적합한 전략의 개발을 통해 다양한 재조합 단백질들이 대장균에서 성공적으로 발현되고 있다.


대장균에서 단백질을 발현하기 위한 전형적인 전략은 배지 조성, 배양 조건 (온도, pH, 용존산소 등을 조절), 발현유도 조건 최적화, 발현 시스템개발이나 개량 등을 포함한다. 발현 시스템개발이나 개량은, 일반적으로 숙주자체를 개량하는 것과 플라스미드 기반의 발현 벡터를 개발하는 것으로 구분할 수 있다. 전자의 경우, 단백질 접힘을 도와주는 molecular chaperon을 과발현하는 숙주, 막 단백질 발현에 따른 독성을 약화시킨 숙주, 대장균의 세포질을 산화적 환경이 유도되도록 개량한 숙주, rare codon tRNA를 과발현하는 숙주 등, 목적 단백질의 특성에 따라 선택 가능한 다양한 숙주들이 잘 알려져 있다. 후자의 발현 벡터 시스템에 경우도, 단백질 접힘을 도와주는 maltose binding protein, glutathione S trasnferase NusA 등의 융합 파트너, 프로모터 (T5, T7, tac, trc cspA 프로모터 등), transcription terminator (T0 rrnB terminator ), 전사 조절인자 (LacI AraC), replication ori (pUC, ColE1, pBR322 p15A ) 등이 다양하게 조합된 벡터들이 이용되고 있다(그림 1). 뿐만 아니라 golden gateway cloning Gibson assembly 등과 같은 ligation independent cloning을 통해 다양한 구성을 갖는 여러 종류의 발현 벡터들에 목적 단백질을 암호화하는 유전자를 동시에 cloning이 가능한 시스템 또한 존재해, 반복적인 cloning으로 소모하는 시간을 최소화 할 수 있는 방법들도 소개되고 있다. 최근에는 이러한 발현 시스템을 최적화하는 전형적인 전략과 더불어, 기 보고된 여러 결과들을 토대로 도출된 생물정보학적 도구들을 이용해 전사 및 번역 개시 효율, 번역속도, aggregation hot spot 등을 예측하고, 목적 단백질을 암호화 하는 염기서열 또는 untranslational region (UTR)을 재설계하거나 수정하는 전략들이 이종 단백질 발현을 위해 접목되고 있다.


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