1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

텅스텐 의존성 formate dehydrogenase(FDH)는 이산화탄소(CO₂)와 formate 사이의 가역적 산화·환원 반응을 촉매하는 금속효소로, 최근 탄소중립과 C1 화합물 전환 기술의 중요성이 커지면서 주목받고 있습니다. 특히 일부 텅스텐 의존성 FDH는 CO₂ 환원 반응에서 높은 촉매 활성을 나타내어, CO₂를 formate로 전환하는 탄소전환 효소로 활용될 가능성이 높습니다.

하지만 이러한 효소는 활성 중심에 W-bis-MGD라는 복잡한 금속 보조인자와 여러 개의 Fe-S cluster를 필요로 하기 때문에, 단순히 효소를 암호화하는 유전자를 대장균에 도입하여 발현시키는 것만으로는 기능적인 효소를 얻기 어렵습니다. 본 연구에서는 이러한 한계를 해결하기 위해 텅스텐 수송, W-bis-MGD 생합성과 삽입, Fe-S cluster 형성에 이르는 효소 성숙 과정을 단계적으로 재설계하였습니다. 그 결과 호기성 조건의 대장균에서도 활성을 갖는 MeFDH1을 생산할 수 있었으며, 다른 텅스텐 의존성 FDH에도 적용 가능한 플랫폼으로의 확장 가능성을 확인하였습니다.

연구 과정에서 가장 어려웠던 점은 단백질이 발현되는 것과 실제 활성을 갖는 효소가 만들어지는 것이 서로 다른 문제라는 점이었습니다. 초기에는 MeFDH1 단백질이 발현되었음에도 효소 활성이 거의 나타나지 않았습니다. 이후 단백질 자체보다 보조인자 형성과 효소 성숙 과정에 문제의 원인이 있을 것으로 판단하였고, 관련 요소를 하나씩 개선하면서 효소 활성이 단계적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었습니다.

향후에는 이번에 구축한 chassis engineering 전략을 다양한 텅스텐 및 복합 금속효소의 기능적 발현에 적용하고자 합니다. 특히 formate 생산이 가능한 FDH뿐만 아니라 formaldehyde의 생성 및 전환에 관여하는 효소까지 발현 범위를 확장하여, CO₂로부터 formate와 formaldehyde를 거쳐 다양한 고부가가치 물질을 생산할 수 있는 C1 기반 미생물 세포공장으로 연구를 발전시키고자 합니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

본 연구를 통해 대장균에서 W-bis-MGD를 보조인자로 갖는 FDH를 호기성 조건에서도 기능적으로 발현할 수 있음을 확인하였지만, 아직 효소의 성숙과 활성에 관여하는 분자적 수준의 메커니즘은 충분히 밝혀지지 않았습니다. 특히 W-bis-MGD에 삽입된 텅스텐이 어떤 산화 상태와 배위 환경을 가질 때 효소가 정상적인 활성을 나타내는지, 그리고 이러한 상태가 효소의 성숙 과정에서 어떻게 형성되고 유지되는지에 대한 추가적인 검증이 필요합니다.

또한 많은 텅스텐 의존성 효소가 일반적으로 혐기성 미생물에서 유래하거나 산소에 민감한 효소로 알려져 있음에도 불구하고, 본 연구에서는 호기성 조건에서 발현과 성숙이 가능하였습니다. 따라서 산소가 W-bis-MGD의 형성, 텅스텐의 삽입, Fe-S cluster의 조립 및 효소 활성에 각각 어떠한 영향을 미치는지 명확히 규명할 필요가 있습니다. 특히 호기성 조건에서도 기능적인 효소가 형성될 수 있었던 이유를 분자 수준에서 이해하는 것은 향후 다양한 텅스텐 효소를 대장균에서 안정적으로 생산하기 위한 중요한 과제가 될 것으로 생각합니다.

향후에는 텅스텐의 화학적 상태와 활성의 상관관계를 규명하고, 산소 조건에 따른 보조인자 성숙 과정을 체계적으로 분석함으로써 W-bis-MGD 효소의 기능적 발현 원리를 보다 명확하게 이해하고자 합니다.

3. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

저는 고려대학교 화공생명공학과 오민규 교수님 연구실에서 석·박사통합과정을 수행하며 연구자로서의 기반을 다졌으며, 현재는 UNIST 김용환 교수님 연구실에서 박사후연구원으로 연구를 이어가고 있습니다. 고려대학교 오민규 교수님 연구실은 합성생물학과 대사공학을 기반으로 미생물의 대사회로를 설계하고, 이를 통해 다양한 고부가가치 화합물을 생산하는 미생물 세포공장 개발 연구를 수행하고 있습니다. 저는 이곳에서 대장균과 효모를 이용한 대사공학, 이종 단백질 발현 및 고부가가치 물질 생산 연구를 수행하며 미생물 시스템을 설계하고 최적화하는 연구 경험을 쌓았습니다.

현재 소속된 UNIST 김용환 교수님 연구실에서는 효소공학과 생물촉매 기술을 기반으로 CO₂와 CO를 비롯한 탄소자원의 전환 및 활용에 관한 연구를 수행하고 있습니다. 특히 다양한 효소와 금속효소의 기능을 이해하고 이를 탄소전환 시스템에 적용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다. 저는 현재 대장균에서 금속 보조인자를 필요로 하는 효소를 기능적으로 발현시키고, 이를 CO₂ 및 다양한 C1 화합물의 전환에 활용하는 연구를 진행하고 있습니다.

이번 연구 역시 고려대학교에서 쌓은 합성생물학 및 미생물 세포공장 연구 경험과 현재 UNIST에서 수행하고 있는 효소공학 및 탄소전환 연구가 자연스럽게 연결된 결과라고 생각합니다.

4. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

연구를 하면서 가장 크게 느낀 점은 "안 되는 것은 없다. 아직 해보지 않았거나, 방법을 찾지 못했을 뿐이다"라는 것입니다. 연구를 하다 보면 처음에는 불가능해 보이거나 반복해서 실패하는 문제가 자주 생기지만, 원인을 하나씩 나누어 보고 다른 관점에서 다시 접근하다 보면 결국 해결의 실마리를 찾을 수 있었습니다.

이번 연구 역시 처음에는 대장균에서 텅스텐 의존성 효소를 정상적으로 발현하는 것이 쉽지 않았지만, 단순히 단백질 발현만 보는 것이 아니라 금속 수송, 보조인자 생합성, Fe-S cluster 형성까지 문제를 확장해서 바라보면서 해결할 수 있었습니다. 이 과정에서 좋은 아이디어를 내는 것만큼 중요한 것이 결국 끝까지 해내는 힘이라는 점을 배웠습니다. 연구는 한 번의 좋은 결과로 완성되는 것이 아니라, 수많은 실패와 수정, 반복적인 검증을 견디면서 마지막 결과까지 만들어내는 과정이라고 생각합니다.

제가 제안한 아이디어가 실제 실험 결과로 이어지고, 처음에는 어렵다고 생각했던 문제가 하나씩 해결되어 최종적으로 논문으로 완성될 때 가장 큰 보람을 느낍니다. 앞으로도 아직 시도되지 않았거나 어렵다고 여겨지는 문제에 도전하면서, 시작한 연구는 끝까지 완성해내는 연구자가 되고 싶습니다.

5. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

이 분야로 진학하려는 후배들에게는 처음부터 완벽한 연구 주제나 정답을 찾으려고 하기보다, 다양한 경험을 통해 자신이 오래 고민하고 끝까지 붙잡을 수 있는 문제를 찾는 것이 중요하다고 말씀드리고 싶습니다. 연구는 생각보다 실패가 많고 결과가 바로 나오지 않는 경우도 많기 때문에, 새로운 아이디어를 내는 능력만큼 꾸준히 시도하고 끝까지 해내는 힘이 중요합니다. 또한 익숙한 방법만 반복하기보다 새로운 기술과 다른 분야의 지식을 적극적으로 받아들이는 자세도 필요합니다. 유학이나 대학원 진학을 준비할 때도 단순히 학교나 연구실의 이름만 보기보다는, 본인이 어떤 연구를 하고 싶은지, 그 연구실에서 어떤 방식으로 성장할 수 있는지를 충분히 고민해보면 좋겠습니다.

6. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

이번 연구를 통해 대장균에서 텅스텐을 보조인자로 가지는 FDH를 기능적으로 발현할 수 있는 기반을 마련한 만큼, 앞으로는 이를 한 단계 더 확장하고자 합니다. 특히 formate를 생성하는 FDH뿐만 아니라 formaldehyde의 생성 및 전환에 관여하는 효소까지 대장균에서 기능적으로 발현시키고, 궁극적으로는 CO를 출발물질로 하여 formate와 formaldehyde를 연속적으로 생산하거나 이를 다양한 고부가가치 물질 생산으로 연결할 수 있는 통합형 C1 전환 플랫폼을 구축하는 연구를 진행하고자 합니다.

7. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

먼저 석·박사통합과정 동안 연구자로 성장할 수 있도록 아낌없이 지도해 주신 고려대학교 오민규 교수님께 깊이 감사드립니다. 또한 박사후연구원으로서 새로운 연구 분야에 도전하고 연구를 더욱 확장할 수 있도록 많은 기회와 지도를 주고 계신 UNIST 김용환 교수님께도 진심으로 감사드립니다. 마지막으로 쉽지 않은 연구 과정에서도 끝까지 포기하지 않고 함께 고민하며 연구를 수행해 준 Uyen 박사에게도 감사의 마음을 전하고 싶습니다. 이번 연구는 혼자만의 노력으로 완성된 것이 아니라, 많은 분들의 지도와 협력이 있었기에 가능했다고 생각합니다.