Photoreceptor 단백질들은 대부분 구조적으로 compact 하고 2차 구조에 의해 다른 활성을 가지는 histidine kinase, cyclic GMP-specific phosphodiesterase, sulfate transporter anti-sigma antagonist protein, helix-turn-helix 도메인 등에 연결되어 있는 것으로 알려져 있다 (그림 2). 이와 같이 독립된 module로서의 기능을 가짐과 동시에 다양한 effector 도메인에 연결 할 수 있다는 특징은 합성생물학에 있어서 mix-and-match 전략에 의해 새로운 기능을 가지는 빛에 의해 조절되는 artificial system을 만들기에 매우 적합한 부품이라고 할 수 있다. Bioinformatics 분석에 따르면 LOV 도메인과 같은 빛에 반응하는 단백질을 encoding 하는 박테리아 genome들의 수는 전체의 3.5-10 % 에 이르는 것으로 알려져 있다 (Herrou and Crosson, 2011).

그림 2. 자연에 존재하는 LOV domain의 예와 이들에 연결되어있는 다양한 effector 도메인의 예 (Herrou and Crosson, 2011)

그림 3. 빛에 반응하는 단백질 모듈의 signal 전달 메커니즘의 예 (Losi and Gartner, 2012)

그동안 특정파장의 빛에 의해 활성화되는 Caged transactivator 나 화학적 inducers 에 의해 유전자의 기능을 조절하는 연구가 보고 된 바 있었으나 (Deiters, 2010) 빛에 반응하는 단백질 유전자를 도입하여 transgene의 기능을 조절하는 연구들이 갈수록 활발히 보고 되고 있는 추세이다. 최근에는 빛에 반응하는 단백질을 표적 세포에 엔지니어링 함으로써 활성을 조절하는 optogenetics라는 분야를 원하는 타겟 유전자의 전사조절이나 유전체변형에 응용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.  특정 염기서열을 인식할 수 있도록 하는 zinc-finger나 transcription-activator-like effector (TALE) 단백질을 이용한 DNA-targeting 기술들을 빛에 반응하는 photoreceptor 단백질들과 접목시키거나, 염기서열 특이적인 DNA 절단효소를 이용하여 genome을 변형시키도록 하는데 응용하는 등 biotechnology 분야의 발달과 더불어 급격하게 발전하고 있다 (Konermann et al., 2013). 최근 보고된 기술들은 빛에 노출된 지 수 분 안에 세포 내에서 전사가 일어나고 빛의 강도에 의해 가역적으로 조절되며 배양된 세포 내에서뿐만 아니라 동물모델에 까지 활용되고 있는 추세이다. 또한 빛에 의해 hetero 혹은 homodimerization이 조절되는 모듈을 이용하여 세포내의 신호전달에 관여하는 분자나 pathway를 빛에 의해 다이나믹하게 조절하는 연구가 보고되고 있어 합성생물학에 적용 시킬 수 있는 분야는 매우 다양하다고 볼 수 있다 (Bugaj et al., 2013).  

앞으로는 합성 생물학적 접근을 통해 센서의 조절을 더욱 효율적으로 다이나믹하게 빛에 의해 fine-tuning 할 수 있는 시스템을 확립하기 위한 연구가 필수적이며 genome editing 기술뿐만 아니라 다양한 바이오 부품의 조립기술에 적용될 것으로 보인다. 합성생물학에서의 Photoreceptor 단백질들의 성공적인 활용을 위해서는 이러한 단백질들의 신호전달 메커니즘에 대한 명확한 이해가 우선적으로 선행되어야 할 것 이며 빛을 이용해 product의 생산성 향상에 기여할 수 있는 다양한 신기술들이 개발 될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

참고문헌)

1. Bugaj, L.J., Choksi, A.T., Mesuda, C.K., Kane, R.S., and Schaffer, D.V. (2013). Optogenetic protein clustering and

   signaling activation in mammalian cells. Nature methods 10, 249-252.

2. Deiters, A. (2010). Principles and applications of the photochemical control of cellular processes. Chembiochem : a 

   European journal of chemical biology 11, 47-53.

3. Grunberg, R., and Serrano, L. (2010). Strategies for protein synthetic biology. Nucleic acids research 38, 2663-2675.

4. Herrou, J., and Crosson, S. (2011). Function, structure and mechanism of bacterial photosensory LOV proteins.

   Nature reviews Microbiology 9, 713-723.

5. Konermann, S., Brigham, M.D., Trevino, A.E., Hsu, P.D., Heidenreich, M., Cong, L., Platt, R.J., Scott, D.A., Church, G.M.,

   and Zhang, F. (2013). Optical control of mammalian endogenous transcription and epigenetic states. Nature 500,

   472-476.

6. Losi, A., and Gartner, W. (2012). The evolution of flavin-binding photoreceptors: an ancient chromophore serving

   trendy blue-light sensors. Annual review of plant biology 63, 49-72.

7. Moglich, A., and Moffat, K. (2010). Engineered photoreceptors as novel optogenetic tools. Photochemical &

   photobiological sciences : Official journal of the European Photochemistry Association and the European Society for

   Photobiology 9, 1286-1300.