생명체의 전체 게놈 또는 게놈 수준의 대형 DNA를 설계하고, 이를 정확하면서도 신속하게, 대량으로 합성하는 기술

의약물질이나 에너지, 소재 생산을 위한 고효율 균주 연구를 가속화 할 수 있고 나아가 건강, 환경, 우주 등의 분야에서 현재 인류가 직면한 기술적 한계를 극복하는 데에 기여

향후 5년 : 의약물질이나 에너지, 소재 생산을 위한 고효율 균주 연구를 가속화 할 수 있고 나아가 건강, 환경, 우주 등의 분야에서 현재 인류가 직면한 기술적 한계를 극복하는 데에 기여

향후 10년 : 인공미생물을 활용한 의약, 농업, 화학, 에너지 분야 소재의 친환경적 대량 생산DNA 합성 비용을 1/1000로 줄이고 인간 세포 엔지니어링을 통한 신약 개발, 세포 치료, 장기 이식 등 의학 활용

1) 유전체 설계 기술 - 세포의 유전체를 구성하는 다양한 유전자와 기능 DNA 조각들을 목적에 맞게 재설계하는 기술로서 단순화, 확장, 재구성의 원칙으로 유전자의 생리, 대사적 기능 정보와 후성학적 변형, 활성 위치 등을 고려한 설계 기술 2) 유전체 합성/편집 기술 - 올리고머 칩이나 효소를 활용한 20∼300bp의 올리고머 합성 기술, 1∼10kbp 수준의 in-vitro 올리고머 합성/조합 기술 - Bacillus subtilis나 E. coli를 활용한 < 100kbp 수준의 DNA 조합 기술, 효모를 활용한 1Mbp 수준의 합성 기술 - CRISPR 기반의 고처리(high-throughput) 병렬 유전체 편집기술 등을 포함 3) 세포 이식 및 부팅기술 - 원핵세포의 경우 합성된 유전체를 세포융합기술 등을 통해 다른 균종에 이식하는 기술 등 - 진핵세포의 경우 동물(MAC)이나 사람의 인공염색체(HAC) 기술 등 4) 합성생물학 기반 IT 융합 기술 - 합성생물학과 자동화 로봇, AI, IT 기술이 융합된 바이오파운드리의 DBTL 전략으로 노동, 시간 집약적인 장쇄 DNA 합성을 수행하고 인공세포 제작의 재현성과 신뢰성을 높이는 기술 - 방대한 오믹스 빅데이터(진핵세포의 경우 HGP 이후 축적된 ENCODE, gnomAD, GWAS 등)를 활용하고 1Gbp 이상의 염기서열 설계를 수행할 수 있는 IT 관련 기술

생명현상의 이해라는 생물학의 궁극적인 목적 달성과 함께 합성/제작 기반 기술로 기존 유전자 기능 규명 연구의 혁신적 가속화 가능. 백신, 치료제, 장기 이식 등 현재 기술로 극복하기 어려운 기술 제공 가능

효소 기반 DNA 올리고머 합성 기술 - TDT 효소 기반으로 200bp 올리고가 합성 가능함을 보였고 최초 DNA 프린터 SYNTAX SYSTEM과 최근 그 후속 제품까지 발표(DNA Script, 2021) - 효소 기반 새로운 올리고머 합성법으로 현재 합성법보다 1/5 수준 에러와 3배의 길이 그리고 1000배($50/oligo --> $0.03/oligo) 이상 저렴한 기술 개발(Twist Bioscience, 2021) 원핵세포 게놈 합성 - 901개 유전자 JCVI-syn1.0 개발(Science, 2011), 473개 유전자 JCVI-syn3.0 개발(Science, 2016) - 코돈 변경한 Synthetic E. coli 개발(Nature, 2019) - 480개 유전자 JCVI-syn3.0A 개발, 7개 유전자 기능 규명(Cell, 2021) 진핵세포 인공 게놈 활용 - Synthetic Yeast Genome 개발(Science 7편 series, 2016) - 101kbp 인간 HPRT1 유전자를 마우스 배아줄기세포에 전달, 단백질 생산 (Genetics, 2021) - high-throughput 병렬 게놈 편집 기술을 활용한 효모 기능 변이 규명(Cell, 2018; Nature biotech., 2018) - 다중 서열 편집(CRISPR-Deaminase) 기술 기반 인간 게놈 대량 편집 (NAR, 2020) GP-write : HGP 이후 여전히 미지의 영역으로 남아있는 생명현상을 DNA 합성을 통해 이해하려는 과학자들의 공감대로 시작 - 17개 국가 300명 이상의 과학자들로 구성. Twist bioscience, Autodesk, LATTICE, Agilent, Labcyte 등 다양한 합성생물학 및 자동화 HW/SW 기업들과 파트너쉽 형성, 최근 Foundry와 Incubator로 구성된 GPW-hub 계획 수립, 대규모 게놈 편집용 소프트웨어 CAD 출시 예정(GP-write) - “Ultrasafe human cell line“은 가장 대표적 프로젝트이자 범용 플랫폼으로서 인공세포주 개발 목표. 약 1% 수준의 게놈 변형이 이루어지며 치료제, 백신, 장기 이식 등 활용 목표

카이스트에서는 유전체의 약 30%(약 1Mb)가 제거된 대장균을 제작하고(Appl Microbiol Biotechnol., 2014) 이렇게 제작된 유전체의 인공진화를 통한 기능개선 연구 수행(Nat Commun., 2019) 한국생명공학연구원에서는 장쇄 DNA 어셈블리를 위한 SW 개발, 등록. 이를 활용한 M13 파지 합성 수행 (2021). 또한 장쇄 DNA를 빠르게 제작할 수 있는 자동화 시스템인 K-바이오파운드리 베타를 구축 중

DNA 합성, 바이오파운드리와 같은 바이오 인프라 관련 스타트업 활성화 및 인공미생물 활용을 통한 제약 및 제조산업에 기여

인간 활동에 기인한 환경오염 및 기후변화의 위협과 팬더믹 문제를 빠르고 근본적으로 해결할 수 있는 생물학적 기술 개발 기대

대중의 참여와 윤리, 법, 사회적 영향(ELSI)을 고려해야 하며 나아가 ELSI를 넘어선 책임 있는 혁신(Responsible innovation)이 관련 연구자들에게 필요 올리고머 칩 등 고집적 올리고머 합성기술이 필요하며 바이오파운드리와 같은 고효율 자동화 시스템의 활용 및 관련 인력 필요다세포 진핵생물의 동물 합성유전체학, 특히 장쇄 DNA의 조립 및 전달에서 조작이 어렵고 효율이 낮은 문제를 극복할 기술 개발 필요

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