(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 `비식용 바이오매스를 여러 가지 짧은 길이의 일차 아민들로 전환하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 11일 밝혔다.
이번 연구결과는 국제적인 학술지인 `네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다.
※ 논문명 : Microbial production of multiple short-chain primary amines via retrobiosynthesis
 ※ 저자 정보 : 이상엽(한국과학기술원,  교신저자), 김동인(한국과학기술원, 공동 제1저자), 채동언(한국과학기술원, 공동 제1저자), 김현욱(한국과학기술원, 공동 제1저자), 장우대(한국과학기술원, 제4저자), 포함 총 5명

석유화학산업은 화석원료를 이용해 우리 생활 전반에 광범위하게 이용되는 범용화학물질들을 생산해왔다. 그러나 원유 매장량 고갈에 대한 우려와 원유 산업으로부터 발생하는 지구 온난화 등의 환경문제가 전 세계적으로 매우 심각한 상황이다.

특히 우리나라의 경우 석유를 전량 수입에 의존하기 때문에, 국제 유가 변동에 매우 취약한 실정이다. 이에 환경문제를 해결하면서 원유를 대체할 수 있는 지속 가능한 바이오리파이너리의 구축이 시급히 요구되고 있다.

바이오 리파이너리란 화석원료가 아닌 비식용 바이오매스를 원료로 사용해 미생물로 산업적으로 유용한 화학물질들을 생산하는 기술이다. 여기서 미생물은 원료인 바이오매스를 우리가 원하는 화학물질로 전환하는 세포 공장과 같은 역할을 한다. 이러한 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작할 수 있게 하는 시스템 대사공학은 바이오 리파이너리에서 핵심기술 중 하나다.

지금껏 석유화학 공정을 통해서 합성되던 화학물질 중에는 미생물 시스템 대사공학을 통해서 바이오 기반으로 생산되는 사례가 점차 늘고 있지만, 아직 의약품 및 농약품들의 전구체로 널리 사용되는 짧은 탄소 길이를 가진 일차 아민들의 생산은 보고된 바가 없었다.

이에 KAIST 이상엽 특훈교수 연구팀은 여러 가지 짧은 탄소 길이를 갖는 일차 아민들을 생산할 수 있는 대장균 균주 개발 연구를 수행했다. 

지금까지 이러한 일차 아민들을 생산하는 균주들이 개발되지 못한 가장 큰 이유는 생합성 대사회로의 부재였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 역 생합성 시뮬레이션을 통해 모든 가능한 대사경로들을 예측했다. 그 후 전구체 선택과정을 통해 가장 유망한 대사회로들을 선정했다.
 
이렇게 디자인된 신규 대사회로들을 실제 실험을 통해 검증했으며 이를 통해 10가지 종류의 다른 짧은 길이의 일차 아민들을 생산하는 대장균 균주들을 최초로 개발하는 데 성공했다.

또한 대표적인 일차 아민들을 선정해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당을 단일 탄소원으로 사용한 생산과 시스템 대사공학을 통한 생산량 증대를 보임으로써 바이오 기반 생산의 가능성을 보여줬다.

이번 연구에서 활용된 역 생합성과 전구체 선택과정을 같이 사용한 전략은 짧은 탄소 길이를 가진 일차 아민들 뿐만 아니라 다른 그룹의 여러 가지 화학물질들을 동시에 생산하는 대사회로들을 구축하는 데도 유용하게 쓰일 것으로 예상된다.

이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 지금까지 석유화학 산업 기반으로만 생산할 수 있었던 짧은 탄소 길이를 가진 일차 아민들을 재생 가능한 바이오 기반 화학산업을 통해 생산할 가능성을 세계 최초로 제시한 점에 의의가 있다”며 “앞으로 더 많은 연구를 통해 생산량과 생산성을 증대시킬 계획이다”라고 밝혔다. 

한편 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 '바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제'의 지원을 받아 수행됐다.   

연구결과 개요

□ 연구배경 

바이오리파이너리는 바이오매스 원료에서 생물공학적·화학적 기술을 이용해 화학제품·바이오연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 연구 분야에 해당한다. 바이오리파이너리에서의 시스템 대사공학은 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작하여, 바이오매스 원료로부터 산업 화학물질의 생산능을 최대치로 끌어올릴 수 있는 핵심기술이다.

지금껏 석유화학산업은 화석원료를 이용하여 우리 생활 전반에 광범위하게 이용되는 범용화학물질들을 생산하여 왔다. 그러나 이러한 석유화학산업으로부터 발생되는 지구 온난화 등의 환경문제가 전 세계적으로 매우 심각한 상황이다. 이에 기존 화석원료에 의존하지 않는 새로운 패러다임의 차세대화학산업으로의 재편이 시급히 요구되고 있다. 이를 위해 추진되고 있는 것이 바이오리파이너리이다.

지금껏 석유화학공정을 통해서 합성되던 화학물질들 중에는 미생물 시스템 대사공학을 통해서 바이오 기반으로 생산되는 사례가 점차 늘고 있지만, 아직까지 의약품 및 농약품들의 전구체로 널리 사용되는 짧은 탄소길이를 갖고 있는 일차아민들의 생산은 보고된 바가 없었다. 
이에 본 연구팀은 여러 가지 짧은 탄소길이를 갖는 일차아민들을 생산할 수 있는 대장균 균주 개발 연구를 수행했다. 
 

□ 연구내용
지금까지 이러한 일차아민들을 생산하는 균주들이 개발되지 못한 가장 큰 이유는 생합성 대사회로의 부재이었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 역생합성 (retrobiosynthesis) 시뮬레이션을 통해 모든 가능한 대사경로들을 예측했다. 그 후 전구체 선택 과정을 통해 가장 유망한 대사회로들을 선정했다. 

이렇게 디자인된 신규 대사회로들을 실제 실험을 통해 검증하였으며 이를 통해 10가지 종류의 다른 짧은 길이의 일차아민들을 생산하는 대장균 균주들을 최초로 개발하는데 성공하였다.
  ㅇ 또한 대표적인 일차아민들을 선정해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당을 단일 탄소원으로 사용한 생산과 시스템 대사공학을 통한 생산량 증산를 보임으로써 바이오기반 생산의 가능성을 보여줬다.

용어설명

1. 대사공학 (metabolic engineering)
대사 물질의 생산경로 조작을 통해 목적 대사물질의 생산을 최적화 하는 기술을 의미한다. 대사공학은 생산경로 유전자의 과발현, 경쟁경로 유전자의 제거, 또는 외래 유전자의 도입 등을 통해 미생물이 가지고 있는 고유의 대사 경로를 변형시킴으로써, 원하는 산물의 생산을 극대화 시키고자 하며, 이 과정에서 컴퓨터 모델링을 비롯한 다양한 공학도구들이 사용된다. 미생물을 이용해 생산 가능한 다양한 화학물질들은 에너지, 식품, 의약, 화장품, 화학산업 등에 널리 활용되고 있다.

2. 시스템 대사공학 (systems metabolic engineering)
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.3. 역 생합성 (retrobiosynthesis)

특정 화합물을 생합성할 수 있는 대사경로를 알아내기 위해 화학적 변환 규칙을 이용해 실제로 이루어지는 생합성 경로와 역방향으로 목표 화학구조에 도착할 수 있을 만한 전구체와 효소반응을 예측하는 일련의 과정을 의미한다. 

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