KAIST 생명화학공학과 학생들, 천연물 생산 미생물 개발 전략 총정리
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KAIST 생명화학공학과 학생들, 천연물 생산 미생물 개발 전략 총정리
  • 송윤영 기자
  • 승인 2020.07.01 10:00
  • 조회수 30
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Trends in Biotechnology, Cell Press 7월호 표지논문 게재
(사진제공=KAIST)(왼쪽 뒤부터 시계방향)양동수 박사과정, 이상엽 특훈교수, 은현민 박사과정, 박선영 박사과정, 박예슬 석사과정
(사진제공=KAIST)(왼쪽 뒤부터 시계방향)양동수 박사과정, 이상엽 특훈교수, 은현민 박사과정, 박선영 박사과정, 박예슬 석사과정

(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST(총장 신성철)는 생명화학공학과 대학원생 4명이 대장균 세포 공장을 개발해 생산된 대표 천연물들의 생합성 경로를 총망라해 최신의 연구 내용과 흐름을 한눈에 파악할 수 있도록 대사 회로를 정리한 `천연물 생산을 위한 대장균에서의 대사공학'을 주제로 논문을 발표했다고 1일 밝혔다. 

학생들은 이번 논문에서 천연물 생산 대장균 세포 공장 개발을 위한 주요 시스템 대사공학 전략을 `효소 개량'과 `대사흐름 최적화', 그리고 `시스템 접근법' 등 3단계로 정리했으며 각 단계별로 활용이 가능한 최신 도구 및 전략을 대사공학이 나아가야 할 방향과 함께 제시했다.

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀 소속 양동수·박선영·은현민 박사과정과 박예슬 석사과정 학생이 참여한 이번 연구결과는 국제학술지인 셀(Cell)誌가 발행하는 생명공학 분야 권위 리뷰지인 `생명공학의 동향(Trends in Biotechnology)' 7월호(특별호: 대사공학) 표지논문 및 주 논문(Featured Article)으로 1일 게재됐다.

인류 역사에서 천연물은 식품과 의약품 등의 분야에 널리 사용되고 있는데 많은 천연물이 그 자체로 의약 물질로 쓰이거나 새로운 의약 물질 개발의 구조적인 근간이 되고 있다. 고부가가치 천연물에 대한 국제적인 수요와 시장규모는 지속적으로 증가하는 추세인 데 반해 천연자원으로부터 얻을 수 있는 양은 극히 제한적이며 완전한 화학합성은 대체로 효율이 낮고 유기 용매를 다량으로 이용하기 때문에 환경 오염과 인류 건강에 악영향을 초래할 수 있다. 

따라서 전 세계적으로 천연물을 친환경적이며 고효율로 생산이 가능한 미생물 세포 공장을 개발하려는 노력이 이뤄지고 있다. 미생물 세포 공장 구축을 위한 핵심전략인 시스템 대사공학은 기존 석유화학산업을 대체할 바이오산업의 핵심이 되는 미생물 균주를 보다 효과적으로 개발하기 위해 KAIST 이상엽 특훈교수가 창시한 연구 분야다.

이상엽 특훈교수 연구팀은 실제 시스템 대사공학 전략을 이용, 천연물·아미노산·생분해성 플라스틱·환경친화적인 플라스틱 원료와 바이오 연료 등을 생산하는 고성능 균주들을 다수 개발한 성과를 거뒀다.

이들 4명의 학생을 지도한 이상엽 특훈교수는 "천연물 생산을 위한 대사공학 연구를 체계적으로 분석, 정리하고 또 향후 전략을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다ˮ면서 "권위가 있는 학술지에 주 논문이자 표지논문으로 게재된 이번 연구를 수행한 학생들이 자랑스럽다ˮ고 말했다.

공동 제1 저자인 양동수·박선영 박사과정 학생도 "고령화가 진행되는 사회에서 헬스케어 산업은 그 중요성이 더욱 대두되고 있다ˮ면서 "인류가 건강한 삶을 지속적으로 영위하기 위해서 필수적인 각종 천연물을 대사공학적으로 생산하는 연구 또한 갈수록 중요해질 것ˮ이라고 강조했다. 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 `바이오리파이너리를 위한 시스템 대사공학 원천기술개발 과제' 및 노보 노디스크 재단의 지원을 받아 수행됐다. 

그림 1. 대장균 세포 공장을 개발하여 생산된 대표 천연물들의 대사회로 지도(
그림 1. 대장균 세포 공장을 개발하여 생산된 대표 천연물들의 대사회로 지도(
그림 2. Trends in Biotechnology 7월호 표지논문
그림 2. Trends in Biotechnology 7월호 표지논문

□ 연구 개요

  가. 연구 배경 
  ㅇ 인류 역사에서 천연물은 식품과 의약품 분야에서 널리 쓰여 왔으며 많은 천연물이 그 자체로 의약 물질로 쓰이거나 새로운 의약 물질 개발의 구조적인 근간이 되고 있다. 이러한 고부가가치 천연물에 대한 국제적인 수요와 시장규모는 지속적으로 증가하고 있으나, 천연자원에서 얻을 수 있는 양은 한정되어 있고 완전한 화학 합성은 대체로 불가하기 때문에 대사공학적으로 조작된 미생물을 개발하여 천연물을 생합성하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
  ㅇ 다양한 미생물 중 대장균은 성장 속도가 높고 유전자 및 게놈 조작 기술과 고밀도 배양 기술, 그리고 게놈 규모의 대사공학 모델을 포함한 다양한 시스템 대사공학 도구와 전략이 발달되어 있다는 장점으로 인해 학계와 산업계에서 천연물 생산 숙주로서 널리 사용되고 있다.
  ㅇ 이에 대장균에서의 천연물 생산 연구에 활용된 시스템 대사공학의 최신 동향과 도구 및 전략을 정리하고 더 나아가 미래 연구 방향을 제시하였다.

 나. 연구 내용
  ㅇ 본 연구에서는 대장균 세포 공장을 개발하여 생산된 대표 천연물들의 생합성 경로를 총망라하여 최신 연구 내용과 흐름을 한눈에 파악할 수 있는 대사회로 지도를 정리하였다. 또한, 공통적 또는 개별적으로 활용된 시스템 대사공학의 최신 도구 및 전략을 구체적인 예시와 함께 개요도에 표현하여 최신 연구 동향을 쉽고 빠르게 이해할 수 있게 하였다.
  ㅇ 본 연구진은 천연물 생산 대장균 세포 공장 개발에 활용된 시스템 대사공학 전략을 단계별로 크게 세 범주로 나누어 최신 관련 연구 내용을 정리하고, 또한 대표 천연물 생산 균주들의 개발 과정을 상세히 서술함으로써 시스템 대사공학 최신 기술과 전략의 내용과 적용 사례를 동시에 파악할 수 있게 하였다.
  ㅇ 본 연구진은 현재의 천연물 생산 미생물 세포 공장 개발 연구의 한계점을 지적하고, 신규 또는 고성능 천연물 생산 균주 개발을 더욱 촉진하기 위해 극복해야 할 점들과 이를 위해 필요한 기계 학습과 인공지능 등을 통한 시스템 수준의 대사 네트워크 분석과 이해, 고효율 오믹스 분석과 적응진화 기술 개발 등의 방안을 정리함으로써 시스템 대사공학이 앞으로 나아가야 할 방향을 제시하였다.

□ 용어 설명

  가. 대사공학 (metabolic engineering)
  ㅇ 대사 물질의 생산경로를 조작함으로써 목적 대사물질의 생산을 최적화 하는 기술. 대사공학은 생산경로 유전자의 과발현, 경쟁경로 유전자의 제거, 또는 외래 유전자의 도입 등을 통해 미생물이 가지고 있는 고유의 대사 경로를 변형시킴으로써 원하는 산물의 생산을 극대화하며, 이 과정에서 컴퓨터 모델링을 비롯한 다양한 공학 도구들이 사용된다. 미생물을 이용해 생산 가능한 다양한 화학물질들은 에너지, 식품, 의약, 화장품, 화학산업 등에 널리 활용되고 있다.

  나. 시스템 대사공학 (systems metabolic engineering)
  ㅇ 기존 대사공학적 기법과 시스템생물학, 합성생물학 및 진화공학 기법 등과의 융합을 통해 체계적으로 미생물 대사를 재설계하여 목표 화학물질의 대량생산을 가능하게 하는 학문이다. 이 기술은 2016년 세계경제포럼에서 ‘2016년 10대 떠오르는 기술’에 선정된 바 있다.

  다. 천연물 (natural product)
  ㅇ천연물은 식물 등의 천연자원으로부터 유래하는 다양한 약리 활성 및 생리 활성을 지닌 물질이며, 이러한 물질들은 식품, 화장품, 의약품 등의 각종 다양한 산업 분야에 사용되고 있다. 천연자원으로부터 천연물을 추출할 시 수율이 매우 낮고, 화학적 합성 방법 또한 매우 높은 비용을 초래하기에 대사공학적으로 조작된 미생물을 활용하여 친환경적이고 효율적인 방법으로 천연물을 생산하는 전략이 주목받고 있다.


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