국내 연구진이 바이오 연료와 플라스틱 원료가 되는 화학물질을 화석연료가 아닌 미생물을 이용해 생산할 수 있는 시스템을 구축했다.
한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀은 미생물 5종을 미생물 세포공장에서 생산하는 산업 미생물로 선정하고, 이 미생물로 235종의 화학물질을 생산하는데 성공했다고 7일 밝혔다.
미생물 세포공장은 세포의 유전자를 조작해 화합물을 대량으로 만드는 미생물 기반 생산시스템으로, 친환경적인 화학물질 생산플랫폼으로 각광받고 있다. 미생물을 개량해 유전자의 발현을 증폭·억제하는 대사공학 기술은 세포공장 생산효율을 극대화하는 핵심도구로 자리잡고 있다. 그러나 미생물 세포공장을 구축하기 위해 필요한 균주 선정의 어려움과 복잡한 대사경로 최적화 등은 실질적인 공정 적용에 큰 장애물로 작용하고 있다.
기존 연구에서는 방대한 생물실험과 정교한 검증과정을 통해 수많은 미생물 균주 중 최적의 균주와 효율적인 대사공학 전략을 도출하려 했으나, 이 과정은 막대한 시간과 비용이 소요되는 문제가 있었다. 최근에는 미생물 전체 유전체 정보를 바탕으로 유기체 내 대사 네트워크를 재구성한 유전체 수준의 대사 모델을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션으로 대사 흐름을 체계적으로 분석할 수 있게 됐다.
연구팀은 유전체 수준의 대사 모델을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 이용해 미생물의 최대 이론 수율과 실제 공정에서 가능한 최대 수율을 계산, 각 화학물질 생산에 최적화된 5종의 균주를 선정했다. 5가지 균주는 대장균(Escherichia coli), 효모(Saccharomyces cerevisiae), 고초균(Bacillus subtilis), 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum), 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)이다.
연구팀은 이 5종의 산업 미생물의 화학물질 생산능력을 235종 유용물질을 대상으로 종합 평가했다. 특히 타 생물에서 유래한 효소 반응을 미생물에 도입하거나, 미생물이 사용하는 보조인자를 교환하여 대사 경로를 확장하는 전략을 제안했다. 이같은 전략을 통해 기존 미생물의 선천적 대사능력을 초과하는 수율 향상이 가능함을 확인했으며, 메발론산, 프로판올, 지방산, 아이소프레노이드와 같은 산업적으로 중요한 다양한 화학물질의 생산 수율이 증가했다.
또 연구팀은 가상세포 내 대사흐름 분석 기법을 사용하여 각 화학물질 생산을 극대화 시키기 위해 필요한 균주 개량 전략을 제시했다. 특정 효소 반응과 목표 화학물질 생산의 상관관계 및 효소 반응과 대사물질 간 관계를 정량적으로 분석해 상향 및 하향 조절해야할 효소 반응을 도출했다.
이를 통해 연구팀은 단순히 높은 이론적 수율뿐 아니라 실제 생산능을 극대화할 수 있는 구체적인 전략을 제시했다.
논문의 제 1저자인 김기배 박사는 "타 생물에서 유래한 대사 경로의 도입과 보조인자 교환 전략을 활용하면 기존 한계를 뛰어넘는 새로운 미생물 세포공장을 설계할 수 있다"며 "미생물 기반 생산 공정을 더욱 경제적이고 효율적으로 발전시키는데 핵심적인 역할을 할 것"이라고 설명했다.
이상엽 특훈교수는 "이번 연구는 시스템 대사공학 분야에서 미생물 균주 선정과 대사경로 설계 단계에서 어려움을 줄이고, 보다 효율적인 미생물 세포공장 개발을 위한 핵심 참고자료가 될 것"이라며 "향후 바이오 연료, 바이오플라스틱, 기능성 식품 소재 등 다양한 친환경 화학물질 생산 기술 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다.
이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.
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