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[2003 닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인상 수상] KAIST 생명화학공학 이상엽 교수 (1)
"우리 연구실은 대사공학을 기본으로 systems biotechnology 연구 수행 중"

인터뷰 내용
 - 대사 및 생물분자공학 연구실 소개
 - 현재 중점 진행중인 연구 내용과 진행과정
 - Systems biotechnology와 대사공학과의 연계성
 - 대사공학 연구실의 연구목표
 - 산업화와 연결 된 연구성과
 - 세계에서 경쟁력을 갖는 대사공학으로 발전할 수 있는 전략
 - 앞으로 집중할 연구주제와 그 이유

일시: 2004년 2월 12일, 오전 11:00

장소: 한국과학기술원 생명화학공학과

이상엽 교수 약력


대사 및 생물분자공학 연구실 소개

실험실 이름처럼 대사관련 연구에 집중하면서 산업화가 가능한 유용한 분자들을 효율적으로 생산하는 연구를 하고 있다. 우리 연구실 가족은 이번에 새로 들어온 사람들까지 포함해서 30명 정도 된다. 석·박사 과정 학생이 17명, postdoc.이 3명, 생물정보연구센터와 생물공정연구센터 소속으로 선임연구원이 3명, 그리고 실험실에서 학생들과 함께 연구를 하는 연구원, 사무원들이다. 최근에 식구가 많이 늘었다.

현재 중점 진행중인 연구 내용과 진행과정

대사공학 연구는 계속 진행 하고 있다. 최근에 생물학이 다른 학문분야와 통합, 융합 되어가고 글로벌 스케일(global scale)로 발전하고 있는데, 우리 연구에도 적용할 필요가 있다는 판단 아래 system levle 연구에 집중하고 있다. 미생물을 대상으로 -ome(genome, transcriptome, proteome, metabolome, fluxome, physiome)을 전부 밝혀서 생물정보학적 처리를 거쳐 총체적으로 통합하고 그것으로부터 현재 미생물의 상태와 우리가 원하는 상태를 유추해 내고(in silico biology), 실제로 검정해서 유용 미생물이나 유용 제품을 만들어내는 제반공정을 다루는 연구이다. 우리는 이런 연구를 "systems biotechnology"라고 부른다.

한가지 에피소드는 Biotechnology & bioengineering 저널에서 integration(융합) 분야를 위한 "special issue" 란을 만들면서 이름을 뭐로 할지 editorial board member에게 물어보았다. 내가 systems biotechnology를 제안했는데 반 정도는 논리적이면서 좋은 생각이라고 하고 반 정도는 systems biology & bioengineering가 맞다는 제안을 해서 의견이 분분했는데 결국 systems biotechnology가 채택되어 special issue로 나오게 되었다.

이제는 biotechnology도 systems level에서 분석해서 systems level에 적용을 하는 것이 생물공정 연구개발에서 필요하다. 예전에는 단백질 하나나 둘, DNA도 gene cloning 을 해서 그 특징을 밝히는 연구였지만 system 수준에서 생물체를 이해하는 것은 생물학자의 염원이다. 이전까지는 tool이 없어서 이런 연구가 안된 것이고 이제는 할 수 있는 때가 왔다. 그리고 공학을 하는 사람은 접근이 쉬우니까 생물학연구자와 공동연구를 하는 것이 효율적이라고 생각한다.

system level에서 모든 세포나 조직의 활동, 개체의 활동을 보고 이해하는 연구는 현재 생물학에서 아주 중요한 연구이다. 우리 연구실에서는 미생물을 대상으로 systems biotechnology 연구를 하고 있으며 인체로도 확장할 것이다.

Systems biotechnology와 대사공학과의 연계성

우리 연구의 마지막 목표는 대사공학이다. 생물체를 이해하는 것도 재미 있지만 이런것은 저명한 생물학자들이 훨씬 더 깊은 연구할수 있다. 우리는 응용성이 없다고 판단되면 중간에라도 과감히 중지를 한다. 우리 연구는 공학을 기반으로 하기 때문에 반드시 응용과 연결이 되어 있고 지금까지 연구 성향도 그러하다.

대사공학 연구실의 목표

인류를 풍요롭게 하는 무언가를 만드는 것이다. 공학은 실제로 우리 손에 닿는 무언가를 만들어 인류를 풍요롭게 한다. 산업화라고 할 수 있다. 산업화가 되어야 대량생산이 되고 대량생산이 되어야 저가로 만들어져 많은 사람에게 혜택이 돌아올 수 있다. 여기서 만들어질 수 있는 것은 의약품이나 화학물질이 될 수 있고 이것을 바이오 기술을 이용해서 만들겠다는 것이 우리의 목표이다. 그 과정에서 자연스럽게 학생들은 돈을 어떻게 벌어야 하는지를 배우게 되고 나 자신도 사업을 직접 하는 것은 아니지만 기술이전을 통해서 연구실 전체 수익모델이 발생할 수 있다는 것을 가르칠 수 있다. 이런 교육과 연구가 동시에 진행되고 있다.

산업화와 연결 된 연구성과

생분해성 고분자연구가 대표적이다. LG화학의 장기간 연구지원을 받아 세계 최고 효율성을 보이는 공정을 개발했다. 공정이라하면 균주에서 발효기법, 분리공정, 모든 과정을 디자인한 것까지 포함한다. 공장을 짓는다면 우리 기술이 세계에서 최고 효율이 될 것이다.

그러나 실제 산업화되기 위해서는 시간이 필요하다. 발효를 통해서 박테리아가 먹이를 먹어서 생합성 고분자를 합성해낸다. 이때 사용되는 먹이는 주로 포도당인데, 포도당 가격이 보통 kg당 30~50 cents 한다. 수율(yield)은 대사 특성상 최고 50%를 넘지 못하는데 100% 전환이 된다고 해도 kg당 1 dollar가 든다. 현재 우리가 쓰고 있는 플라스틱인 폴리프로필렌은 kg당 80~90 cents이다. 분리공정을 하나도 고려하지 않고 박테리아로부터 포도당에서 고분자를 생산해내는 가격만 1 dollar가 들기 때문에 플라스틱과 비교해서 가격이 비싸고, 아무리 저가로 만든다고 해도 kg당 2 dollars이다. 우리 공정을 쓰더라도 가격이 2배 이상 차이가 난다는 것이다. 그래서 아직은 실용화가 될 수 없다. 하지만 석유 고갈이나 환경 문제가 통합적으로 얽혀서 WTO에서 마치 교토 프로토콜(교토 의정서, 선진국의 온실가스 감축 목표치를 규정)과 유사한 지침을 내려 전 세계가 생분해성 고분자를 사용해야 한는 때가 온다면, 그때는 가격이 비싸더라도 사용을 할 수 있고 산업화가 될 수 있다.

그리고 위의 생합성 고분자와 비슷하지만 물성과 구조가 다른 생분해성 고분자는 실제 산업화가 되었다. 미국의 P&G(The Procter & Gamble Company)에서 우리 연구를 몇 년간 지원을 해서 실제로 C4Cn family로 불리는 생분해성 고분자가 개발이 되었다. 이것은 원래 생분해성 고분자로 개발이 되었지만 물성이 너무 좋아서 high performance로 분류되어 지금 상용화가 되었다. P&G는 여성용 hygienic band와 기저귀를 생산하는데 대용량으로 소비되는데도 분해가 안되어 여러 가지 문제를 안고 있는데, 라이닝 부분을 대체하기 위해 Nodax라는 이름의 생분해성 고분자가 사용되고 있다. Nodax 홈페이지에 들어가보면 실제 우리 연구실이 어떤 기여를 했는지 명시되어 있고 현제 활발하게 미국에서 상용화 되고 있다.

또 다른 성과는 chiral compound인 광학활성 물질이다. 이 연구는 미국화학회로부터 최우수 바이오 기술로 인증받아 2000년 엘머 게이든상을 수상하기도 했다. 생체촉매를 이용해서 광학적으로 R-form과 S-form 중에서 우리가 원하는 하나의 form만을 생산하는 기술이다. 이것을 함께 연구하던 학생은 졸업한 뒤 ChiroBio사를 설립했고 현재 ChiroBio에서 계속 제품 개발을 하고 있다.

그 외에는 재조합 단백질 부분에서 의료용 단백질 Granulocyte Colony Stimulating Factor(G-CSF) 등은 준 상용화되어 기술이전을 마쳤다. G-CSF는 우리가 최초로 대장균을 이용해서 분비생산되도록 기술개발한 연구이다.

세계에서 경쟁력을 갖는 대사공학으로 발전할 수 있는 전략

우리 연구의 기본 틀은 항상 응용을 염두에 두고 시작 한다. 아무리 재미있는 현상이 중간에 발견되어도 기본 흐름에서 너무 멀어지고 있다면 중단한다. 그 이유 때문에 우리 연구실에서는 "Nature" 지 발표 논문이 없는 것 같다. 이처럼 우리 연구는 항상 실용화가 최우선이며 전략이다.

앞으로 집중할 연구주제와 그 이유

현재 우리가 가장 관심 있는 systems biotechnology이다. Genome, transcriptome, proteome 등 많은 연구가 진행되어 결과가 나오고 있지만 실제적으로 사용되는 정보를 보면 아주 국소적이다. Proteome profiling을 하면 질병관련 된 것을 몇 개 찾는다거나, transcriptome profiling을 하면 지금 흔히 bioinformatics 기법을 써서 clustering 해서 pattern 찾는 것이 중심을 이루고 있다. 이런 결과가 세포에서는 얘기가 좀 다르다. 같은 pattern을 보인다고 해서 세포가 같은 행동을 한다는 것은 너무나 유추를 많이 한 것이고 실제적으로 대사활동을 결정짓는 것은 대사산물에서 나오는 것이다. 세포상태를 이해하기 위해서는 대사 산물 농도 뿐 아니라 대사산물까지 반응이 진행되는 흐름, dynamix, steady state flux도 중요하다. 그러나 이런 연구는 아직 비교적 진행이 안된 상태이고 또 사람들이 잘 모르고 있다. 이부분은 대사공학과 마침 연계된 부분이고 우리는 예전부터 이런 연구를 해왔기 때문에 앞으로 세계적으로 경쟁력 있고 실제적으로 통합 된 systems level에서 생명공학을 집중적으로 연구할 생각이다. 대상은 주로 미생물의 대사 중심이고 인체와 관련해서는 signal transduction pathway를 보려고 한다.

관련 사이트: 대사 및 생물분자공학 연구실(국가지정연구실)

기자 장영옥
사진, 촬영 이강수
동영상 편집 유숙희

  
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