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친환경을 위한 숙신산 세계 최고 수준 생산 성공
지구 온난화 등의 심각한 환경 문제로 인해 화석 연료를 대체할 수 있는 친환경 기반 화학물질 생산 기술개발의 필요성이 지속적으로 증가하고 있다. 우리 연구진이 화학적인 공정이 아닌 시스템 대사공학을 활용, 플라스틱의 원료와 식품, 의약품 등의 합성에 사용되는 매우 중요한 산업 기반 화학물질인 숙신산을 세계 최고 수준으로 생산하는 데 성공해 화제다.
우리 대학 생명화학공학과 김지연 박사과정생과 이종언 박사를 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 마그네슘(Mg2+) 수송 시스템을 최적화함으로써 고효율 숙신산 생산 균주를 개발했다고 11일 밝혔다.
이상엽 특훈교수 연구팀은 한우의 반추위에서 분리한 미생물인 ‘맨하이미아 (Mannheimia)’의 대사회로를 조작하고 마그네슘 수송 시스템을 최적화해 세계 최고 수준의 생산성을 갖는 숙신산 생산 기술을 개발했다.
연구팀은 미생물 발효 과정 중 pH 조절을 위해 사용되는 다양한 알칼리성 중화제가 숙신산 생산에 미치는 영향을 파악하고, 최적화된 중화제를 선정했다. 특히 수산화마그네슘(Mg(OH)2)이 포함된 중화제를 사용, 마그네슘이 미치는 생리학적 영향을 분석해 세포 성장과 숙신산 생산에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다.
또한, 맨하이미아 내 존재하는 마그네슘 수송체인 corA 유전자를 규명하고, 다양한 마그네슘 수송체를 도입해 마그네슘의 수송을 더욱 향상했다. 그중 살모넬라 엔테리카(Salmonella enterica) 균에서 유래한 고효율 마그네슘 수송체를 도입해 시스템을 최적화한 결과 152.23 g/L의 숙신산을 생산했으며, 최대 생산성은 39.64 g/L/h를 달성했다.
이는 기존 대비 약 2배 향상된, 현재까지 보고된 세계 최고의 숙신산 생산성 수치로, 연구팀은 이 과정에서 계속해서 세계 기록을 세우며 자체 기록을 경신하고 있다. 이는 생물학적 플랫폼을 통해 화학물질 생산을 극대화한 중요한 발전으로 의의를 지닌다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 김지연 박사과정생은 “마그네슘 수송 시스템을 최적화해 고농도의 숙신산을 생산했다는 점에 의의가 있다”며, “이 기술이 향후 중요한 화학물질들을 생물학적으로 생산하는 미생물 균주 개발의 전략으로 작용할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한, 이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 숙신산 생산의 새로운 표준을 제시했으며 생물 기반 화학물질의 경제성을 크게 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 지속 가능한 바이오화학 산업의 발전에도 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
해당 연구 결과는 국제 학술지인 `미국 국립과학원 회보(PNAS)'에 9월 6일(현지시간) 자 게재됐다.
※ 논문명 : High-level succinic acid production by overexpressing a magnesium transporter in Mannheimia succiniciproducens
※ 저자 정보 : 김지연(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 이종언(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 안정호(한국과학기술원), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 4명
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제(과제 책임자 KAIST 이상엽 특훈교수)의 지원을 받아 수행됐다.
2024.09.11 조회수 1416 -
이상엽 특훈교수 연구팀, 미생물 기반 바이오 숙신산 대량 생산 기술 개발
국내 연구진이 플라스틱의 원료와 식품·의약품 합성에 사용되는 중요한 화학물질인 숙신산을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다.
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀과 경북대학교(총장 김상동) 김경진 교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 미생물 기반의 바이오 숙신산 대량 생산을 가능케 하는 세계 최고의 효율을 지닌 숙신산 생산 균주를 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다. 이 교수와 김 교수가 이끄는 공동연구팀의 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션 (Nature Communications)’ 4월 23일 字 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Enhanced succinic acid production by Mannheimia employing optimal malate dehydrogenase)
기후변화 대응 기술 중 바이오리파이너리 기술은 화석연료에 의존하지 않고 바이오매스 원료로부터 생물공학적 ‧ 화학적 기술을 이용해 화학제품과 바이오연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 분야이다. 이 중 특히 핵심 기술인 ‘시스템 대사공학’은 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작해 산업 화학물질의 생산 효율을 높일 수 있다.
현대 산업 전반은 화석연료를 바탕으로 하는 산업에 매우 의존적이며 숙신산의 생산 또한 화석연료를 기반으로 이뤄진다. 그러나 이는 화석연료의 고갈과 이에 따른 원류 가격의 지속적인 증가, 화석연료 기반 산업으로부터 발생되는 지구 온난화 등 매우 심각한 부작용을 낳는다. 또 급속도로 고갈돼 가는 화석연료를 대체할 수 있는 바이오 기반의 숙신산 생산은 필수적이다. 연구팀은 한우의 반추위에서 분리한 미생물인 맨하이미아(Mannheimia)의 대사회로를 조작해 숙신산을 생산하는 연구를 지속해 왔으며 이번에 세계 최고의 생산 효율을 지닌 숙신산을 생산할 수 있는 개량균주를 개발하는데 성공했다.
숙신산은 탄소 4개로 구성된 다이카복실산인데 대사과정에 있어 숙신산 한 분자를 생산할 때 이산화탄소 한 분자를 소모한다. 따라서 미생물 배양에 의한 숙신산 생산을 통해 이산화탄소의 저감에 기여한다. 연구팀은 이번 연구 과정에서 숙신산 전환에 핵심역할을 하는 효소의 구조를 밝히는 한편 단백질 공학을 통해 효소 성능을 개선했으며, 이를 전체 대사회로 최적화에 연계시키는 시스템 대사공학을 수행했다. 이를 통해 포도당, 글리세롤, 이산화탄소를 원료로 리터당 134g(그램)의 높은 농도로 숙신산을 생산하고 경제와 가장 밀접하게 연관되는 생산성이 시간당·리터당 21g(그램)에 달하는 등 매우 효율적인 공정을 개발했는데 이는 세계 최고의 효율성을 지닌 숙신산 생산 공정으로 평가를 받고 있다. 지금까지는 일반적으로 시간당·리터당 1~3g(그램)이 최고 수준이었다.
기후변화 등 환경 문제의 주범으로 꼽히는 화석연료에 대한 의존성을 대폭 낮추고 주요 산업 기반 화학물질인 숙신산을 효과적으로 생산할 수 있는 근간을 제시한 이번 연구 성과는 학계로부터 중요성을 인정받아, 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션지에 게재됐다. KAIST 이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 미생물 기반 바이오 숙신산 대량 생산 기술은 화학산업의 플랫폼 화학물질로 사용될 수 있는 숙신산을 보다 더 효율적으로 생산할 수 있기 때문에 환경친화적인 바이오화학 산업으로의 전환에 기여할 것”이라고 설명했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘C1 가스 리파이너리 사업’ 및 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’의 지원을 받아 수행됐다.
2020.05.06 조회수 14900 -
생명화학공학과 이상엽교수팀, 게놈 정보 이용 숙신산 고효율 생산 균주 개발
과학기술부 게놈정보 활용 통합 생물공정 원천기술 개발 사업 결실
1. 연구 개발 과정 및 결과
전 세계적으로 최근까지 350여종 이상의 생물체에 대한 전체 게놈 서열이 발표되고 1900여종에 대한 게놈서열이 진행되고 있다. 따라서 이들 정보를 활용한 게놈 수준의 연구에 대한 관심이 집중되고 있는 시점에서, 국내에서 게놈에서 생물공정까지 이르는 체계적인 연구기법을 통해 유용한 화학물질을 효율적으로 생산하는 미생물을 개발하는 개가를 올렸다.
KAIST 생명화학공학과 이상엽 LG화학 석좌교수(李相燁, 42세)연구팀이, 자체적으로 완성한 맨하이미아 균주의 게놈 정보를 기반으로 대사공학 기법을 활용하여 숙신산 고효율 생산 균주를 개발하였다고 9일 밝혔다. 이번 연구에 사용된 균주는 이교수팀이 한우의 반추위에서 분리한 맨하이미아균으로서, 이 균주의 게놈 프로젝트 완성 결과는 우리나라 최초의 게놈 논문으로 2004년 10월 네이처 바이오테크놀로지 (Nature Biotechnology)에 게재한 바가 있다.
이 교수는 이상준 박사, 송효학 박사와 함께 과학기술부 게놈 정보 활용 통합생물공정 원천기술 개발사업의 지원으로, 게놈 수준에서의 대사공학 기법을 적용하여 고효율로 숙신산을 생산함과 동시에 문제가 되는 부산물의 생산을 최소화 할 수 있는 균주를 개발하는데 성공하였다. 즉, 이제까지의 균주개발 연구 방식을 뛰어 넘어 게놈에서 유용한 생명공학제품의 효율적인 생산을 가능하게 하는 새로운 연구 모델을 제시하고, 이를 검증받았다는 점에서 그 의미가 더욱 크다.
이 교수팀은 생물정보학 기법을 이용하여 맨하이미아 게놈 정보로부터 숙신산 생산에 직.간접적으로 관여하는 유전자들을 발굴하고, 이를 바탕으로 숙신산은 많이 만들면서 초산, 젖산, 개미산 등 부산물은 거의 만들지 않는 균주를 디자인 하였다. 이렇게 디자인된 균주를 실제 제작하기 위하여 신규 유전자 조작 시스템 개발을 시작으로, 균주 유전자 제거 기술, 형질전환 기술 등을 개발하였고, 회분식 유가식 배양기술을 개발 실제 발효 연구까지 수행함으로서 게놈에서 생물공정에 이르는 체계적인 시스템을 개발하게 되었다.
2. 연구 개발성과 및 향후계획
맨하이미아를 이용하여 생산하는 숙신산은 일명 호박산으로 화학 핵심 전구체로 사용되어지고 있으며, 생분해성 고분자, 청정용매 (green solvent) 등으로도 사용이 가능하여 향후 1조원 이상의 시장규모를 형성할 것으로 예상되고 있다. 이 교수팀이 개발한 숙신산 과생산 균주개발 기술은 향후 우리나라에서 바이오기반의 화학물질 생산기술 개발에 있어 우위를 점할 수 있는 상징적인 의미가 있으며, 실제 바이오 기반 숙신산 생산기술의 상용화 가능성을 높여주었다는 평가를 받고 있다.
선진국을 중심으로 지속가능한 산업개발의 핵심으로서 원유에 의존하지 않고 재생 가능한 원료로부터 화학물질을 생산하는 환경친화적인 기술개발에 집중적인 연구 개발이 이뤄지고 있다. 이러한 시점에서, 이번 이교수팀이 개발한 연구 결과는 국내 바이오산업이 미국, 유럽, 일본 및 다른 선진국보다 우위성을 가질 수 있는 핵심 기술이 될 수 있다는 가능성을 보였다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히, 우리나라 생명공학자들이 다양한 산업생명공학 기술 개발에 박차를 가하고 있어 그 전망이 더욱 밝다고 하겠다.
특히, 맨하이미아 균은 숙신산을 생산하기 위하여 다량의 이산화탄소를 고정화함으로써 교토협약 및 UN 기후변화협약에의 대응에도 기여할 뿐 아니라, 배럴당 60불 이상의 고유가 시대에 원유에 의존하지 않고 재생가능한 원료로부터 숙신산 생산을 가능하게 함으로써 같은 기술을 다른 화학물질과 바이오에너지 생산에 적용함으로서 국내 원유 수입 의존도를 줄일 수 있다.
이번에 개발된 숙신산 고효율 균주와 관련하여 대사공학적으로 고효율 숙신산 생산 균주 특허 1건, 핵심 유전자 특허 3건, 배양 특허 1건이 출원되었으며, 미국 미생물학회에서 발간하는 응용미생물 관련 권위 학술지인 응용환경미생물학지(Applied and Environmental Microbiology) 3월호에 게재되었다.
이 교수는 “게놈 정보로부터 균을 체계적으로 엔지니어링하여 숙신산 고효율 균주를 탄생시킨 이상준 박사와 그에 따른 다양한 발효기술을 개발한 송효학 박사가 함께 만들어 낸 훌륭한 합작품이다”라고 평가하고, “향후 관련 기술을 지속적으로 발전시켜 게놈정보를 이용한 통합적인 생물공정 개발 원천기술을 확보하여 우리나라 생명공학 산업의 발전에 기여하고 싶다”고 말했다.
2006.03.14 조회수 18661