바이오산업동향

- 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀, 친환경 바이오 기반 미생물 균주 개발
- 폴리에스터·나일론 생산 및 화학‧환경‧의료 분야 등 다양한 분야에도 활용을 기대
 


KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 세계 최고 농도의 *글루타르산 생산이 가능한 미생물 균주를 개발했다고 19일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지인 `미국 국립과학원 회보(PNAS)' 11월 16일 자에 게재됐다. (논문명: Glutaric acid production by systems metabolic engineering of an L-lysine-overproducing Corynebacterium glutamicum)
 ※ 글루타르산(glutaric acid) : 두 개의 카복실산기를 가진 유기 화합물. 무색의 고체로 사탕무나 양모의 추출물 속에 들어있다. 폴리에스터, 나일론 등의 제조에 쓰인다.
 ※ 저자 정보 : 한태희(KAIST 박사과정 학생, 제1 저자), 김기배(KAIST 박사과정 학생, 제2 저자), 이상엽 교수(교신저자) 등 총 3명

최근 들어 기후 변화에 대한 우려가 증대되고 화석 자원에 대한 의존도가 높아지면서 재생 가능한 자원에서 화학 연료와 재료를 바이오 기반으로 생산하기 위한 관심이 증가하고 있다.

글루타르산은 폴리아미드, 폴리우레탄, 글루타르산 무수물, 1,5-펜탄디올의 생산을 포함한 다양한 응용 분야에 널리 사용되는 중요한 유기 화합물이다.

지금까지 글루타르산은 석유화학에 기반한 다양한 화학적 방법으로 생산돼왔는데, 이들은 대개 재생 불가능하고 독성이 강한 시작 물질에 의존해 친환경적이지 않다는 단점이 있다. 따라서 포도당과 같은 재생 가능한 자원에서 글루타르산을 생물학적으로 생산하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

다만 기존에 발표된 미생물을 이용한 글루타르산 생산 연구는 높은 글루타르산 생산 농도를 달성하는 데 한계가 존재했다. 또 균주 전체의 대사 밸런스를 고려하지 않고 알려진 표적 유전자들만을 개량했기 때문에 균주 개발에 어려움도 많았다.

이 교수 연구팀도 앞서 토양 세균의 일종인 `수도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)' 균주의 유전자를 대장균에 도입해 최초로 글루타르산을 생산하는 미생물 개발에 관한 연구 결과를 발표한 바 있는데 문제는 생산된 글루타르산의 농도가 매우 낮다는 점이다.

연구팀은 이러한 취약점 개선을 위해 그간 아미노산 생산에 주로 사용되는 세균의 일종인 `코리네박테리움 글루타미쿰 (Corynebacterium glutamicum)'을 이용한 글루타르산 생산공정에 관한 연구에 주목했다. 해당 균주가 글루타르산의 전구체(전 단계의 물질)인 `라이신'을 130 g/L 이상 생산 가능하다는 점을 고려하면 높은 농도의 글루타르산 생산도 가능할 것으로 연구팀은 판단했다.

이상엽 특훈교수 연구팀은 우선 라이신을 과량 생산하는 코리네박테리움 글루타미쿰 균주에 수도모나스 푸티다균에서 유래한 외래 유전자와 코리네박테리움 글루타미쿰의 유전자로 이뤄진 생합성 경로 구축을 통해 포도당으로부터 글루타르산을 효율적으로 생산하는 데 성공했다.
연구팀은 특히 이번 연구 과정에서 라이신을 과량 생산하는 균주에 대한 게놈(genome), 전사체(transcriptome), 흐름체(fluxome)을 아우르는 다중 오믹스 분석을 진행해 균주의 대사 흐름에 대한 이해도를 높였다. 또 이를 통해 예측한 11개의 표적 유전자들을 프로모터 교환, 유전자 결실 및 추가 유전자 도입 등의 방법으로 조작했다.

또한 연구팀은 효율적인 글루타르산 생산을 위해 새로운 글루타르산 수송체 유전자를 발견했고, 해당 유전자의 발현 수준 조작과 발효 조건 최적화를 통해 포도당으로부터 세계 최고 농도(105.3 g/L, 기존 연구 대비 1.17배)를 지닌 글루타르산을 생산하는 데 성공했다.

연구팀 관계자는 이번 연구에 적용한 시스템 대사공학 전략과 발효 공정 최적화 기술을 활용하면 글루타르산 외에도 다양한 고부가 가치 화학물질을 생산하는 미생물 세포 공정 개발도 가능하다고 내다봤다.

이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 시스템 대사공학을 활용해 재생 가능한 탄소원으로부터 폴리에스터와 나일론 등의 원료인 글루타르산을 친환경적으로 세계 최고 농도로 생산하는 균주를 제작했다는 점에 의미가 있다”면서 “향후 화학·환경·의료 분야 등 다양한 산업적 응용이 가능할 것”이라고 강조했다.

한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 한국연구재단 바이오·의료기술개발사업의 `에스테르계 차세대 바이오 플라스틱 합성 원천기술개발’ 과제 지원을 받아 수행됐다. 


■ 연구개요

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

글루타르산은 폴리아미드, 폴리우레탄, 글루타르산 무수물, 1,5-펜탄디올의 생산을 포함한 다양한 응용 분야에 널리 사용되는 카르복시산이다. 지금까지 글루타르산은 석유화학에 기반한 다양한 화학적 방법으로 생산되어왔는데, 이들은 대개 재생 불가능하고 독성이 강한 시작물질에 의존하여 친환경적이지 않다는 단점이 있었다. 따라서 포도당과 같은 재생 가능한 자원에서 글루타르산을 생물학적으로 생산하기 위한 다양한 접근 방식이 연구되어왔다. 앞서 본 연구팀에서는 수도모나스 푸티다 (Pseudomonas putida) 균주의 유전자를 대장균에 도입하여 최초로 글루타르산을 생산하는 미생물 균주개발을 보고한 바 있다. 하지만, 생산된 글루타르산의 농도가 낮다는 문제점이 있었다. 코리네박테리움 글루타미쿰을 이용한 글루타르산 생산 또한 여러 연구에서 보고되었지만, 이 균주의 라이신 생산량을 고려한다면 보다 높은 농도의 글루타르산 생산이 가능하다고 판단되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

코리네박테리움 글루타미쿰은 자연적으로 글루타르산을 생산할 수 없기 때문에, 먼저 라이신으로부터 글루타르산을 생산하는 생합성 경로를 구축하였다. 수도모나스 푸티다에서 가져온 외래 유전자와 코리네박테리움 글루타미쿰의 유전자로 이루어진 새로운 합성 경로를 구축 한 후, 이들의 발현 수준을 최적화하여 라이신으로부터 글루타르산의 전환이 가능하게 하였다. 다음으로 라이신을 과생산하는 기본 균주의 대사과정에 대한 이해도를 높이고, 게놈 조작을 위한 표적 유전자를 선별하기 위하여 게놈(genome), 전사체(transcriptome), 흐름체(fluxome)을 아우르는 다중 오믹스 분석을 진행하였다. 이를 통해 예측된 11개의 표적 유전자를 게놈 상 조작하였고, 그 결과 글루타르산 생성능이 증가된 균주 개발에 성공하였다. 개발된 플랫폼 균주로부터 효율적으로 글루타르산을 생산하기 위해, 발효 공정 최적화 과정이 수행되었다. 추가적으로 새로운 글루타르산 수송체 유전자를 발견하고 이를 과발현함으로써 글루타르산의 생성능이 한 단계 더 발전되었다. 최적화된 발효 공정 조건 하에 개발된 균주를 배양한 결과, 고농도의 글루타르산을 생산하는 데에 성공하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

글루타르산 생산을 위한 생합성 대사경로를 도입하여 라이신으로부터 글루타르산 전환에 성공한 후, 글루타르산 생성능 증가를 위하여 문헌 상 알려진 유전자들의 조작을 수행하였다. 이론상으로는 글루타르산 생성능이 증가되어야 했으나, 예상과 다르게 기본 균주보다 증가된 글루타르산 생성능을 보이지 않았다. 이를 해결하고자 다중 오믹스 분석을 통하여 균주의 전체 게놈 정보를 취득한 후 새로운 게놈 모델을 구축하고, 표적 유전자 선별을 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 이렇게 라이신 과량생산 균주 자체의 대사 흐름에 대한 이해를 기반으로 선별된 유전자들을 게놈 상 조작함으로써 글루타르산 생성능이 증가된 균주 개발에 성공할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에 보고된 미생물을 이용한 글루타르산 생산 연구의 경우, 높은 글루타르산 생산 농도를 달성하는 데에 한계가 있었다. 또한 균주 전체의 대사 밸런스를 고려하지 않고 알려진 표적 유전자들만을 개량하여 균주 제작을 수행했다는 한계가 잇따랐다. 따라서 본 연구에서는 게놈(genome), 전사체(transcriptome), 흐름체(fluxome)을 아우르는 다중 오믹스 분석을 통하여 기본 균주의 대사흐름에 대한 이해도를 높였고, 이를 통해 예측한 표적 유전자들을 조작하여 글루타르산 생성능이 강화된 균주를 개발하였다. 또한, 코리네박테리움 글루타미쿰의 글루타르산 수송체를 최초로 발견하였고, 이 유전자 발현의 강화를 통해 효율적인 글루타르산 생산을 가능케 하였다. 본 연구에서 개발된 글루타르산 생산 플랫폼 균주는 포도당으로부터 105.3 g/L의 글루타르산을 부산물 없이 생산하여 세계 최고 농도를 달성하는 데 성공하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

미생물로부터 산업적으로 유용한 화학물질을 생산하는 바이오 산업이 점차 증가하고 있다. 글루타르산은 폴리에스터, 폴리아미드, 폴리우레탄 등 고분자 합성에 이용되는 카르복시산으로, 단량체로서의 생산 뿐만 아니라 글루타르산을 단량체로 하는 고분자 생산 실용화까지 이어질 수 있다. 따라서 바이오 기반 글루타르산의 생산은 화학·환경·의료의 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 미생물을 이용하여 화학물질을 생산하는 경우, 생산된 화학물질을 효율적으로 분리 및 정제하는 과정이 필수적이다. 또한, 대량생산을 위한 효율적인 발효공정 개발과 기존의 화학적인 방법을 대체가능한 경제적 경쟁력이 필요하다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

본 연구에서 개발한 코리네박테리움 글루타미쿰 균주로부터 대량의 글루타르산을 생산하고, 이를 분리 및 정제하여 바이오기반 고분자 합성에 이용하는 것을 최종 목표로 하고 있다. 향후 연구에서는 이번 연구에서 개발한 균주를 개량하여 더 높은 생산성과 효율을 가지는 균주를 개발하고, 글루타르산의 분리/정제 기술 개발, 바이오 기반 생산된 글루타르산으로부터 고분자를 합성하는 기술 개발을 통해 고분자 산업에 이바지할 계획이다.

 

(그림) 고농도의 글루타르산 생성능을 가지는 코리네박테리움 글루타미쿰의 제작을 위한 시스템 대사공학 전략
포도당으로부터 글루타르산을 생산하는 코리네박테리움 글루타미쿰 균주 개발에 사용된 전략들을 모식화하였다.

출처 : KAIST 이상엽 특훈교수