<KAIST 이상엽 교수>

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
  ㅇ 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.
  ㅇ 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.
  ㅇ 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.
  ㅇ 이에 본 연구팀은 여러 가지 짧은 탄소길이를 갖는 일차아민들을 생산할 수 있는 대장균 균주 개발 연구를 수행하였다.

 □ 연구내용
  ㅇ 지금까지 이러한 일차아민들을 생산하는 균주들이 개발되지 못한 가장 큰 이유는 생합성 대사회로의 부재이었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 역생합성 (retrobiosynthesis) 시뮬레이션을 통해 모든 가능한 대사경로들을 예측하였다. 그 후 전구체 선택 과정을 통해 가장 유망한 대사회로들을 선정하였다.
  ㅇ 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 선정하여 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당을 단일 탄소원으로 사용한 생산과 시스템 대사공학을 통한 생산량 증산를 보임으로써 바이오기반 생산의 가능성을 보여주었다.

연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

석유와 같은 화석 연료는 현대 산업 활동의 근간으로써 인류에게 눈부신 발전을 가져다주었지만 이로 인한 지구 온난화 등 다양한 환경 문제를 야기하였다. 따라서 최근 석유화학산업으로 생산되던 여러 가지 화학물질들을 친환경적인 미생물 발효를 통해 생산하고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있으나, 현재 의약품과 농약품의 전구체로 널리 쓰이고 있는 짧은 탄소길이의 일차아민들은 미생물에 의한 생산이 전혀 보고가 되어 있지 않았다. 이러한 이유로 본 연구진은 여러 가지 일차아민들을 생산하는 미생물을 개발한다면 미래의 재생가능한 바이오 화학산업 구축에 이바지할 수 있을 것 같아 본 연구를 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

먼저 현재 산업적으로 유용하게 쓰이고 있는 짧은 탄소길이를 가지는 일차아민들을 조사하여 총 15개의 화학물질을 생합성 목표로 선정하였다. 이 모든 목표 화학물질들의 생합성 대사경로는 알려진 바가 없었기 때문에 각각에 대해 모두 역생합성 시뮬레이션을 진행하였다. 그 후 합리적인 전구체 선택과정을 통하여 예측된 수많은 전구체와 효소반응들 중에서 가장 가능성이 있는 것을 골랐다. 최종적으로 선정된 대사경로를 실제 실험을 통하여 검증하는데 성공하였고 이렇게 하여 10가지 짧은 길이의 탄소길이를 갖고 있는 일차아민들을 각각 최초로 생산할 수 있었다. 그리고 추가적 엔지니어링을 통하여 대표적인 일차아민들을 포도당을 단일 탄소원으로 이용하여 생산함으로 재생가능한 생산이 가능하다는 점을 보였다. 마지막으로 시스템 대사공학을 통하여 해당 일차아민들의 생산 효율을 증대시키는데 성공하여 미래의 산업화의 가능성을 보일 수 있었다.

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

짧은 탄소길이를 갖는 일차아민들의 생산할 수 있는 신규 대사회로를 찾기 위해 역생합성 시뮬레이션을 진행하였는데 예측된 전구체들과 효소들의 개수가 실험으로 검증하기에는 너무나도 많아 어려움이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 실현 가능성이 높은 전구체 및 효소를 선별할 수 있는 합리적인 절차를 구축하였으며 이를 전구체 선정 과정이라고 명명하였다. 이러한 전구체 선정 과정을 통하여 후보 전구체 및 효소의 개수를 크게 줄일 수 있었으며 결국 실험을 통하여 실제 작동하는 합성 대사회로 구축에 성공할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구에서 최초로 미생물을 이용해 여러 가지 짧은 탄소길이를 갖고있는 일차아민들을 생산할 수 있다는 것을 보인 점이 가장 큰 차별점이다. 또한 이러한 연구과정에서 역생합성을 사용하였는데, 이러한 역생합성의 경우 지금까지 한가지 화학물질의 대사회로를 구축하는데 사용된 경우는 있지만 본 연구와 같이 한 종류에 속하는 여러 가지의 화학물질을을 생산하는데 적용된 적은 없었다. 마지막으로 역생합성에 예측되는 수많은 전구체 및 효소 중 가능성이 높인 것들만 선별할 수 있는 전구체 선정 과정을 처음으로 제시하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

전 세계적으로 겪고 있는 이상기후 현상은 석유 화학 기반의 화학 물질/연료의 무분별한 사용으로 인한 환경오염이 원인이 되고 있다. 앞으로 더욱 많은 수의 화학물질들이 지속가능하고 친환경적인 바이오리파이너리 기반으로 생산·산업화될 수 있도록 관련 연구를 지속적으로 진행할 계획이다. 이미 우리를 포함한 전 세계가 기후변화를 고통스럽게 겪고 있듯이, 바이오리파이너리 기반의 산업 화학물질 생산은 더 이상 선택사항이 아닌, 필수사항이다.

[그림 1] 총 12가지 짧은 탄소길이의 일차아민들 생산을 위해 구축된 생합성 경로들
In vitro 효소반응을 통하여 생산된 12가지의 짧은 탄소길이의 일차아민들을 표기하였다. 본 연구를 통해 신규 개발된 합성 대사회로는 점선 상자로 나타내었다.