18. 돌연변이 법에 의한 미생물 육종

일반적으로 자연에서 분리 선발한 야생형 균주(wild type strain)에 의해 생성되는 대사산물의 양은 매우 적고 경제적인 경우가 많습니다. 일반적으로 분리된 균주는 유용한 물질에 대한 최적의 생산 조건을 얻기 위해 다양한 배양 조건으로 배양됩니다. 즉, 탄소원, 질소원, 무기물, 한계 인자 등의 종류와 양을 결정하여 최적의 배지 생성을 결정하고, 배양 온도, pH, 용존 산소 등 기타 물리적 조건을 설정하여 최적의 배양 조건에서 생산량을 결정합니다.
최적의 배양 조건을 조사함으로써 어느 정도 생산성을 높일 수 있지만, 이를 산업적으로 활용하기 위해서는 균주를 육종하는 것이 필요합니다. 많은 경우 균주를 육종함으로써 생산성이 수십 또는 수백 배 증가하기 때문에 다양한 치료를 통해 돌연변이 균주를 획득하거나 유전자 조작을 통해 수행됩니다. 예를 들어, 1940년대 초반에는 페니실린 생산량이 0.1g/L 미만이었지만, 1990년대에는 생산량이 약 60g/L로 증가했습니다. 이는 배양 배지 최적화, 배양 조건 최적화, 새로운 균주 선택을 통해 생산성을 향상하기 위한 끊임없는 노력의 결과라고 할 수 있습니다.

 

A. 돌연변이

돌연변이(mutation)에 의한 변이주는 다음과 같은 이유로 얻을 수 있다고 생각됩니다.
① 효소가 생합성 과정에 관여하는 효소에 결핍될 때 중간 대사산물(intermediate metabolite)의 축적
② 최종 생성물로 인한 물질대사 조절 기구(control mechanism)의 결함
③ 세포막(cell membrane)의 구조적 변화에 의한 대사산물의 세포 외 분비
④ 색소와 같은 원치 않는 부산물의 발생 감소
⑤ 페니실린 생산에서는 페닐아세테이트와 마찬가지로 전구체(precursor)에 대한 독성 감소, 일반적으로 미생물 유전자형(genotype)의 변화는 자발적(spontaneous)이거나 인위적(induced)으로 유도됩니다. 미생물의 성장 조건에 따라 다르지만 자연 조건에서 돌연변이가 발생하는 빈도는 약 10^-10~10^-5/generation/gene이며, 돌연변이를 추가하면 10^-5~10^-3 수준으로 증가할 수 있습니다.
돌연변이의 발생은 게놈의 구조적 변화에 기인할 수 있습니다. 게놈은 기능적 조화와 완전한 생명을 위해 필요한 최소한의 유전자 그룹을 포함하는 한 쌍(pair)의 염색체(chromosome)를 말합니다. 그의 거대 핵산 분자는 박테리아나 phage와 같은 유기체의 염색체가 하나의 거대한 DNA(또는 RNA) 분자로 구성되어 있기 때문에 게놈이라고 불립니다.
따라서 염색체 내의 결실, 역전, 복제, 번역(deletion, inversion, duplication, translocation)으로 인한 염색체 수 변화로 인한 게놈 돌연변이와 염색체 돌연변이로 나눌 수 있습니다. 그러나 미생물 번식에 사용되는 돌연변이 방법은 주로 유전자를 구성하는 염기의 서열순서와 구성의 변화에 따라 달라집니다.

B. 돌연변이 유발 물질

대표 유전자(DNA)의 변화를 유도하는 물질은 특정 DNA 부위 이외의 모든 유전자에 무작위 변화를 일으킬 수 있지만, 과도한 치료는 세포 사멸을 초래할 수 있습니다.
돌연변이 유발 물질(mutagen)의 치료 농도와 치료 시간은 세포 특성과 밀접한 관련이 있을 뿐만 아니라 돌연변이 발생 빈도와도 밀접한 관련이 있습니다. 치료 농도가 높고 치료 시간이 길수록 세포 생존율이 낮아집니다. 이는 이러한 물질이 DNA에 무작위적인 변화를 일으켜 성장에 필요한 유전자가 모든 기능을 수행할 수 없거나 다른 독성 효과로 인해 발생할 수 있기 때문일 수 있습니다. 그러나 돌연변이 발생 빈도는 생존율이 1% 미만일 때 가장 높습니다.
이 방법은 다양한 돌연변이 균주를 비교적 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있기 때문에 자주 사용됩니다. 그러나 특정 유전 형질이 돌연변이 균주를 얻더라도 "이 돌연변이의 DNA가 어떻게 변경되었는지, 얼마나 많은 부위가 변경되었는지, 변경된 부위가 어디에 있는지" 알아내는 데 어려움이 있습니다.
일반적으로 사용되는 돌연변이 유발원은 DNA 구성 염기의 유사체일 때 염기와 염기 사이에 수소 결합을 형성하여 정상 염기쌍을 방해하여 DNA 구성 염기에 변화를 일으킵니다. 예를 들어 5-bromouracil의 경우 guanine과 수소 결합을 형성할 수 있으며, thymine의 유사체로서 adenine과 수소 결합을 형성할 수 있습니다. 따라서 A-T(adenine-thymine) 염기쌍은 G-C(guanine-cytosine) 염기쌍으로 변경할 수 있습니다. 염기 유사체 외에도 염기쌍을 변경할 때 아민기를 제거(deamination)하거나 또는 alkyl기를 붙여 주는(alkylation) 물질과 고유 에너지 준위를 가진 방사선(radiation)이 돌연변이의 원인으로 사용됩니다.
자외선 돌연변이에서는 DNA의 인접한 피리미딘(pyrimidine base) 염기 사이에 T-T(thymine-thymine), T-C(thymine-cytosine), C-C(cytosine-cytosine)의 이합체가 형성되어 전위, 역위, 결핍 등으로 인해 구조적 변화가 발생하며, 모균주(parent strain)와는 다른 생리적 특성이 생성됩니다.

 

생물공학에서의 돌연변이가 어떤 것이고 돌연변이 유발 물질은 어떤 식으로 작용하는지 살펴보았습니다. 다음 포스팅에서는 돌연 변이주의 선발방법과 균주의 보존에 대하여 알아보도록 하겠습니다.