고효율 바이오에너지 생산 가능한 합성 미생물 생태계 플랫폼 개발[Nat. Commun.]

학술웨비나 개최완료

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2024년 04월 16일 (화) 오후 03시
신종혁(한국생명공학연구원)

개요

최근 기후변화에 대한 우려로 바이오매스로부터 생물연료 및 바이오 화합물을 생산하는 생물 발효에 관한 관심이 가속화되었습니다. 따라서, 연구자들은 산업 미생물을 더 다양한 기질의 사용, 발효 속도의 향상, 생산 화합물의 확대 등의 방향으로 개선하고 있습니다. 그러나 단일 균주 기반의 발효 시스템은 미생물 균주의 과도한 유전적 변형으로 인한 대사 부담과 세포 독성을 일으킨다는 한계점이 있습니다. 산업적으로 사용되는 미생물과 달리, 자연에서의 미생물은 일반적으로 공동체를 형성하여 살아갑니다. 이른바 미생물 생태계 내에서 미생물들은 더 우수한 기능을 가집니다. 예를 들어, 대사 과정을 구성 균주 간에 나누어 소비하기 어려운 기질을 더 효율적으로 활용하고, 가혹한 환경에서 생존 가능성을 높입니다. 미생물 생태계는 구성 균주들의 역할 분담(Division of labor, DOL)을 통해 단일 균주에 비해 많은 이점을 가지고 있습니다. 한 예로, 효모와 유산균은 자연에서 상호 공생을 이루면서 살아갑니다. 유산균은 내부 효소를 통해, 효모가 섭취하지 못하는 락토오스를 효모가 소비할 수 있는 글루코스, 갈락토스로 분해해 줍니다. 반대로 효모는 유산균이 만들지 못하는 필수 아미노산들을 만들어 분비해 줌으로써 두 균주는 더 다양한 기질 환경에서 살아갈 수 있게 됩니다. 미생물 생태계 기반 전략을 산업적으로 이용하기 위해 많은 연구가 진행되었지만, 산업적으로 사용하기에는 조절이 어렵다는 문제가 있습니다. 미생물 생태계를 조절하는 핵심은 미생물 내 생태계의 DOL을 정확하게 조절하여 분배하는 것입니다. 본 연구에서, 우리는 초기 생태계 구성 균주의 세포 농도와 접종 시기를 정량적으로 바꾸어, 미생물 공동체의 활성을 최적화할 수 있는 전략을 보여줬습니다. 미생물 공동체 DOL 분배를 정량적으로 분배하기 위해, 실제 발효 데이터를 기반으로 수학적 모델링을 수립했습니다. 수립된 수학적 모델링은 그로부터 설계된 모델 미생물 생태계의 활성을 크게 개선함을 확인했습니다.