Broad Host Range Plasmid란? 여러 박테리아에서 동시에 작동하는 플라스미드

 

 

분자생물학 실험을 하다 보면 플라스미드를 특정 세균에 넣는 것은 비교적 간단해요. 그런데 문제가 하나 있어요. 어떤 플라스미드는 대장균(E. coli)에서는 잘 복제되는데 다른 세균에 넣으면 전혀 유지되지 않기도 해요. 반대로 어떤 플라스미드는 전혀 관련이 없어 보이는 다양한 세균에서도 안정적으로 복제되고 유지돼요.

이러한 플라스미드를 Broad Host Range Plasmid(BHR plasmid)라고 불러요. 말 그대로 넓은 범위의 숙주(host)에서 작동할 수 있는 플라스미드라는 뜻이에요.

합성생물학, 환경미생물학, 산업미생물학 분야가 발전하면서 다양한 세균 종에서 동일한 유전자를 발현시키려는 연구가 많아졌어요. 이 과정에서 Broad Host Range Plasmid의 중요성도 크게 증가하고 있어요.

 

플라스미드의 Host Range란 무엇일까?

 

 

Host range는 플라스미드가 어떤 숙주에서 복제되고 유지될 수 있는지를 의미해요.

예를 들어 특정 플라스미드가 E. coli에서만 복제된다면 narrow host range plasmid라고 해요.

반면 E. coli뿐 아니라 Pseudomonas, Rhizobium, Agrobacterium 등 여러 종류의 박테리아에서도 복제될 수 있다면 broad host range plasmid라고 부르죠.

중요한 점은 단순히 세포 안으로 들어가는 것만으로는 충분하지 않다는 거예요.

Broad host range를 가지려면

숙주 안으로 전달될 수 있어야 하고
복제될 수 있어야 하며
여러 세대에 걸쳐 안정적으로 유지되어야 해요

이 세 조건을 모두 만족해야 해요.

 

왜 대부분의 플라스미드는 Host Range가 좁을까?

플라스미드 복제는 숙주의 DNA 복제 시스템에 크게 의존해요.

플라스미드 안에 있는 origin of replication(ori)을 숙주 세포가 인식해야 복제가 시작되죠.

문제는 세균마다 사용하는 단백질과 복제 시스템이 조금씩 다르다는 거예요.

어떤 ori는 E. coli의 복제 단백질과는 잘 맞지만 다른 세균에서는 인식되지 않을 수 있어요.

그래서 많은 플라스미드는 특정 세균 그룹에서만 작동하게 돼요.

 

Broad Host Range를 결정하는 가장 중요한 요소

Broad host range 플라스미드의 핵심은 replication system이에요.

특히 ori 구조가 매우 중요해요.

Origin of replication에는 반복 서열(iteron)과 같은 다양한 조절 요소들이 존재해요.

이러한 구조가 여러 숙주의 복제 단백질과 상호작용할 수 있을수록 host range가 넓어질 가능성이 높아요.

쉽게 말하면 여러 종류의 열쇠에 맞는 만능 자물쇠 같은 개념이라고 생각하면 돼요.

 

여러 개의 Ori를 가진 플라스미드도 있다

일부 broad host range 플라스미드는 하나 이상의 ori를 가지고 있어요.

각 ori가 서로 다른 세균에서 작동하도록 설계되어 있는 경우도 있어요.

예를 들어 특정 ori는 E. coli에서 작동하고,

다른 ori는 Pseudomonas에서 작동하는 식이에요.

덕분에 하나의 플라스미드가 다양한 세균 종에서 유지될 수 있어요.

 

반응형

자체 복제 단백질을 가진 플라스미드

더 흥미로운 전략도 있어요.

일부 broad host range 플라스미드는 숙주의 복제 시스템에 전적으로 의존하지 않아요.

대신 Rep 단백질과 같은 자체 replication initiation protein을 보유하고 있어요.

이 경우 숙주가 어떤 종류의 세균인지 크게 신경 쓰지 않고 스스로 복제를 시작할 수 있어요.

그래서 host range가 훨씬 넓어지게 돼요.

Broad host range plasmid 연구에서 Rep 단백질은 매우 중요한 요소로 취급돼요.

 

Restriction Enzyme 회피도 중요하다

플라스미드가 세포 안으로 들어가더라도 살아남는다는 보장은 없어요.

많은 세균은 restriction enzyme을 이용해 외부 DNA를 제거하는 방어 시스템을 가지고 있거든요.

Broad host range plasmid들은 상대적으로 restriction site가 적거나,

숙주의 방어 시스템을 회피할 수 있는 특징을 가지는 경우가 많아요.

덕분에 새로운 숙주에서도 살아남을 가능성이 높아져요.

 

스스로 이동할 수 있는 Conjugative Plasmid

일부 broad host range plasmid는 conjugation 능력도 가지고 있어요.

즉, 한 세균에서 다른 세균으로 스스로 이동할 수 있는 거예요.

이런 플라스미드는 transfer machinery까지 자체적으로 보유하고 있어요.

환경 속에서 여러 세균 종을 오가며 유전자를 전달할 수 있기 때문에 자연계에서 항생제 내성 유전자가 퍼지는 원인 중 하나로도 알려져 있어요.

 

연구에서 자주 사용하는 Broad Host Range Replicon

현재 가장 널리 사용되는 broad host range replicon은 몇 가지로 정리할 수 있어요.

가장 유명한 것은 RK2예요.

RK2는 IncP 계열 플라스미드로 매우 넓은 host range를 가지고 있어요.

Pseudomonas, Rhizobium, Agrobacterium 등 다양한 그람음성균에서 작동하는 것으로 알려져 있어요.

또 다른 대표적인 예는 RSF1010이에요.

RSF1010은 IncQ 계열 플라스미드로, 그람음성균뿐 아니라 일부 그람양성균에서도 복제될 수 있어요.

실제로 broad host range plasmid 연구에서 가장 자주 등장하는 이름 중 하나예요.

pBBR1 역시 합성생물학 분야에서 자주 사용돼요.

상대적으로 작은 크기를 가지면서도 다양한 그람음성균에서 안정적으로 유지될 수 있어 cloning vector로 많이 활용되고 있어요.

 

Broad Host Range Vector는 어떻게 만들까?

연구자들은 자연계에서 발견된 broad host range plasmid의 replication region만 분리해서 새로운 recombinant vector를 만들어요.

이렇게 하면

원하는 유전자 삽입
다양한 세균에서 발현
대장균에서 손쉬운 cloning

이라는 세 가지 장점을 동시에 얻을 수 있어요.

최근에는 여기에 추가로

다양한 antibiotic resistance cassette
inducible promoter
다중 cloning site

등을 넣어 더욱 범용적인 벡터를 제작하고 있어요.

 

합성생물학에서 왜 중요할까?

예전에는 대부분의 유전자 조작이 E. coli에서 이루어졌어요.

하지만 최근에는 상황이 달라졌어요.

산업용 균주, 광합성 세균, 질소고정균, 환경미생물 등 다양한 비모델 생물(non-model organism)을 활용하려는 시도가 많아지고 있어요.

문제는 이런 균주들은 일반적인 E. coli 벡터가 작동하지 않는 경우가 많다는 거예요.

그래서 broad host range plasmid가 사실상 필수 도구가 되고 있어요.

특히 미생물 공학, 바이오연료 생산, 환경정화, 바이오센서 개발 분야에서는 broad host range vector의 활용도가 매우 높아요.

 

Broad host range plasmid는 여러 종류의 세균에서 안정적으로 복제되고 유지될 수 있는 특별한 플라스미드예요. 이러한 능력은 ori 구조, 자체 복제 단백질, restriction 회피 능력, conjugation 시스템 등 다양한 요소들이 결합되어 만들어져요.

오늘날 연구자들은 RK2, RSF1010, pBBR1과 같은 자연 유래 broad host range replicon을 활용해 다양한 세균 종에서 작동하는 벡터를 제작하고 있어요. 비모델 미생물을 활용하는 연구가 늘어나는 만큼, broad host range plasmid의 중요성은 앞으로도 계속 커질 것으로 예상돼요.