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개미산과 이산화탄소만으로 잘 증식하는 대장균 개발
생명과학 한국연구재단 (2020-10-12)

한국연구재단은 이상엽 특훈교수(KAIST 생명화학공학과) 연구팀이 개미산과 이산화탄소만으로 상대적 고농도 배양이 가능한 대장균을 개발했다고 밝혔다.

대기 중 이산화탄소 저감은 물론 개미산, 이산화탄소, 메탄올 등 일탄소(C1) 화합물의 고부가가치화에 활기를 더할 것으로 기대된다.

빠르게 증식하는 대장균의 대사(metabolism) 과정을 잘 변형하면 유용한 화합물을 대량으로 생산할 수 있다. 원유·천연가스를 처리하는 증류탑이나 플랜트 등의 역할을 대장균이 대신하게 되는 것이다.

대장균은 사람과 마찬가지로 탄소를 함유한 유기물질을 대사하며 다양한 물질을 생성하는데 이 과정을 변형하거나 최적화하려는 대사공학적 시도가 활발하다.

이산화탄소로부터 쉽게 전환되어 얻어지는 개미산은 대기상태에서 안정된 액체로 보관과 이동이 용이하고 미생물이 섭취하기 더 효율적이어서, 원하는 화합물을 만드는 좋은 원료가 될 수 있다.

문제는 이산화탄소와 개미산만으로 대장균이 성장할 수 없어 포도당 같은 다른 탄소원을 함께 공급해야만 한다는 것이다. 그러나 다른 탄소원을 공급해 줄 경우에는 추가비용 뿐 아니라 미생물이 개미산을 잘 사용하지 않는 문제가 발생한다. 

이에 연구팀은 대장균이 포도당 등의 다른 탄소원 없이 개미산과 이산화탄소만을 사용하여 성장할 수 있도록 대사경로를 변형하는 방식을 고안했다.

먼저 개미산과 이산화탄소로부터 범용적 원료 화합물(피루브산) 을 합성할 수 있도록 관련된 대사경로를 도입한 대장균을 제작했다.

다음으로 이 대장균에 미생물(캔디다 속)과 식물(아라비돕시스)로부터 얻은 개미산 탈수소화효소를 도입, 개미산으로부터 대사활동에 필요한 생체에너지를 얻을 수 있도록 개량하였다.

나아가 합성된 원료 화합물로부터 대장균의 구성성분들을 합성 하는 대사회로를 강화하는 등 원하는 화합물을 산업적으로 생산할 수 있을 만큼 대장균이 왕성하게 증식할 수 있도록 했다.

실제 이렇게 개량한 대장균을 이산화탄소와 개미산만이 함유된 배지에서 배양한 결과 광학밀도(optical density) 11 수준까지 증식하였다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1 가스리파이너리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘네이처 마이크로바이올로지(Nature Microbiology)’에 9월 28일 게재되었다.


주요내용 설명

작성 : KAIST 이상엽 특훈교수

논문명
Escherichia coli is engineered to grow on CO2 and formic acid
저널명
Nature Microbiology

키워드
CO2(이산화탄소), Formic acid(개미산), C1 gas refinery(C1 가스리파이너리), Metabolic engineering(대사공학)
DOI
10.1038/s41564-020-00793-9
저  자
이상엽 특훈교수(교신저자/KAIST), 방준호 박사(제1저자/KAIST), 황창훈(제2저자/KAIST), 안정호 박사(제3저자/KAIST), 이종언(제4저자/KAIST)


1. 연구의 필요성
 ○ 개미산(formic acid)은 탄소 하나로 구성된 카르복시산으로, 주로 화학적 방법으로 생산되었으나, 최근 연구팀에서 생물학적인 방법으로 일산화탄소로부터 개미산을 생산하는 기술을 개발한 바 있다.
 ○ 개미산은 상온 및 상압 조건에서 액체 상태이며, 화학적으로 안정하고 독성이 적어 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄올 등 다른 탄소원(C1)에 비해 보관과 수송이 용이하다. 때문에 각종 고부가가치 화학물질 생산을 위한 주요 탄소원으로 사용될 수 있지만 효율적 전환기술이 없었다.
 ○ 선행연구에서 대장균에서 개미산을 범용적으로 쓰일 수 있는 원료 화합물(피루브산)로 전환하는 대사경로를 개발하였다. 하지만 개미산만을 이용해서는 대장균의 성장이 불가능하기에 포도당 등 바이오매스 기반 탄소원을 함께 공급해 주어야 했다.
 ○ 그러나 이 경우 탄소원에 비해 개미산 사용량이 미미하여, 목표하는 화학물질 생산이 거의 이뤄지지 않는 문제가 발생하였다.
 ○ 이에 개미산과 이산화탄소만을 이용해 성장하는 개량된 대장균을 개발하려는 연구가 활발히 진행되었으나 발효공정을 통해 화학물질 생산에 활용할 수 있는 수준까지 성장하지는 못하였다.

2. 연구내용
 ○ 본 연구팀의 선행연구에서 개발한 개미산과 이산화탄소를 세포 내 대사산물(피루브산)로 전환하는 대사경로를 도입, 개미산과 이산화탄소로부터 세포성장에 필요한 탄소원을 합성하도록 대장균을 개량하였다.
 ○ 또 캔디다 속 미생물과 아라비돕시스 유래 개미산 탈수소화효소를 도입하여 개미산으로부터 세포 대사반응에 필요한 환원력을 공급할 수 있도록 대장균을 개량했다. 탄소원 합성과 환원력 공급이 가능하도록 조작한 대장균을 대사공학적으로 개량하여 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장이 가능한 대장균을 개발하였으며, 추가적인 균주 개량을 통해 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 높은 세포 농도까지 성장이 가능한 대장균을 개발하였다.
      ※ 개미산 탈수소화효소(formate dehydrogenase) : 개미산을 이산화탄소로 분해하고 이 때 발생하는 에너지를 세포 내 환원력 전달 물질에 전달하는 효소
      ※ 대사공학(metabolic engineering) : 미생물을 이용해 특정 화합물을 대량생산하기 위하여 미생물의 대사(metabolism)를 최적화하는 공학 
 ○ 피루브산에서 세포 구성성분 합성 대사흐름을 강화하기 위해 대장균의 당신생과정 대사흐름을 증가시켰다. 또 개미산 동화 대사회로를 통한 피루브산 합성에 영향을 미치는 대장균의 유전자를 없애는 한편 개미산 탈수소화효소(아라비돕시스 유래)의 돌연변이체를 도입하여, 세포 대사에 필요한 환원력을 충분히 공급할 수 있도록 대장균을 개량하였다. 이를 통해 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균을 개발하였다.
      ※ 당신생과정(gluconeogenesis) : 포도당을 비롯한 당류 탄소원을 피루브산(pyruvate)으로 분해하는 해당과정(glycolysis)의 반대과정. 피루브산으로부터 해당과정의 중간 대사산물들을 합성.
 ○ 대장균의 성장을 향상시키기 위해 개미산과 이산화탄소만을 사용한 대장균 배양에 최적화된 배양 조건을 개발하고, 개미산 동화와 관련된 외래 유전자들의 발현량 미세조절과, 아데노신삼인산합성에 관여하는 막단백질의 발현량을 미세조절하여 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 높은 세포 농도까지 성장하는 대장균을 개발하였다.
      ※ 아데노신삼인산(adenosine triphosphate, ATP) : 세포 내 각종 대사 반응에 필요한 에너지를 공급해주는 유기 화합물

3. 연구성과/기대효과
 ○ 개발된 기술을 활용하면 대장균을 이용한 발효공정을 통해 개미산 및 이산화탄소로만으로 고농도 세포 성장이 가능하고 향후 바이오 연료, 고분자, 화학 물질을 생산할 수 있다. 이를 통해 온실가스인 이산화탄소 저감에 기여할 수 있다. 또한, 개미산, 이산화탄소, 일산화탄소 등 탄소 하나로 구성된 탄소화합물로부터 각종 화학물질을 생산하는 C1 가스리파이너리 시스템 구축에 필요한 기술을 개발했다는 데에 의의가 있다.

개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균의 대사경로 모식도

(그림) 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균의 대사경로 모식도
개미산 및 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균의 전체 대사 흐름과 균주 개발에 사용된 대사공학적 균주 개량 전략들을 모식화하였다. 그림 상단부에는 대장균의 유전체상에서 조작된 유전자들을 표기하였다. 파란색 상자는 개미산과 이산화탄소를 범용 원료화합물(피루브산)로 전환하는 대사경로를 나타내며 붉은색 상자는 개미산을 환원력으로 전환하는 대사경로를 표기하였다. 왼쪽에는 원료화합물로부터 대장균의 각종 세포 구성 성분들을 합성하는 대사경로를 표기하였다.
출처 : KAIST 이상엽 특훈교수


연구 이야기

작성 : KAIST 이상엽 특훈교수

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

개미산은 이산화탄소, 일산화탄소 등의 기체 상태의 C1 탄소원으로부터 효율적으로 생산할 수 있고, 보관 및 수송이 용이하기 때문에 C1 가스리파이너리 시스템에서 주요 탄소원으로 사용하기에 적합하다. 하지만 개미산을 다른 고부가가치 화학물질로 전환하는 기술이 없어서, C1 가스리파이너리 시스템에서 탄소원으로 사용하는 데 어려움이 있었다. 본 연구진들은 이를 해결하기 위해 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 미생물의 발효공정을 통한 화학물질 생산에 적용이 가능한 수준의 세포 농도까지 성장하는 대장균을 개발하고자 하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

대장균이 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하기 위해 필요한 요소가 무엇인지 분석하는 과정을 가장 먼저 진행하였다. 이를 통해 개미산과 이산화탄소로부터 세포 대사산물을 합성하는 대사 경로와 개미산으로부터 세포 대사에 사용되는 환원력을 공급하는 대사 경로가 필요하다는 분석 결과를 도출했다. 분석 결과를 바탕으로  본 연구진의 선행연구에서 개발한 개미산과 이산화탄소 동화 대사경로와 개미산 탈수소화효소를 도입하여 초기 균주를 제작하였다. 그 다음 초기 균주의 탄소 및 에너지 대사 과정을 개미산만을 이용하여 성장하는데 적합하도록 대사공학 기술을 사용하여 균주 개량을 진행하였고, 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 균주를 개발하는데 성공했다. 다음으로, 대장균에 도입한 개미산 동화 대사 관련 유전자들과 대장균의 에너지 대사에 관여하는 막단백질들의 발현량 미세조절을 통해, 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 높은 세포 농도까지 성장이 가능한 대장균을 개발하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복하였는지?

개미산 및 이산화탄소 동화 대사경로와 개미산 탈수소화효소를 도입한 후, 개미산과 이산화탄소만을 첨가하여 초기 균주를 배양하였으나, 개미산과 이산화탄소만을 이용하여서는 성장이 불가능했다. 이론상으로는 균주 성장이 진행되어야 했으나, 예상과 다르게 균주 성장은 나타나지 않았고, 이를 해결하고자 다양한 대사공학적 전략을 도입하여 균주 개량을 진행하였으나, 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 균주를 개발하지는 못하였다. 이를 해결하기 위해 균주 개발에 실패하는 원인을 분석하였고, 균주 개량에 사용한 방법이 대장균이 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는데 효과를 보이는지 적절하게 검증할 수 있는 수단이 없는 것이 균주 개발이 진척되지 않는 가장 큰 원인이라고 결론을 내렸다. 따라서 초기 균주 개발 과정에서는 소량의 포도당을 첨가 후 배양하여, 균주 개량을 위해 적용한 대사공학적 전략이 효과가 있는지 검증하는데 주력하였다. 이 과정을 통해 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 대장균이 성장하는데 효과가 있다고 선별된 균주 개량 전략들을 적용하여, 목표로 한 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균 개발에 성공하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에 보고된 미생물을 이용한 개미산 전환 연구의 경우, 미생물 배양 시 바이오매스 기반 탄소원을 함께 사용하여 개미산은 거의 사용되지 않는 문제점이 있었다. 최근에 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균을 개발한 사례들이 보고되었으나, 대장균의 최대 성장 수준이 매우 낮다는 문제점이 있다. 본 연구에서 개발한 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균의 경우, 기존에 보고된 방법과 차별되는 본 연구진의 독자적인 대사공학적 균주 개발 기술을 통해 제작되었으며, 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 높은 세포 농도까지 성장이 가능하기 때문에, 발효공정을 통해 개미산으로부터 각종 화학물질 생산이 가능하다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이산화탄소, 일산화탄소등의 기체 상태의 C1 탄소원을 전기화학적 방법을 통해 개미산으로 전환하는 화학공정과 통합하여, 기체 상태의 C1 탄소원으로부터 고부가가지 화학물질을 생산하는 화학-바이오 통합 공정의 형태로 사용될 수 있다. 기체 상태의 C1 탄소원을 전기화학적 방법을 통해 개미산으로 전환하는 공정의 경우 전환 속도 및 효율이 매우 우수할 뿐만 아니라, 전환 과정에 사용되는 전기를 유휴 전력으로부터 저렴하게 얻을 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서 개발한 개미산 전환 바이오공정과 기체상태의 C1 탄소원을 개미산으로 전환하는 화학공정을 융합하면 친환경적이며 경제성 있는 화학물질 생산 공정을 개발이 가능하다. 상기한 화학-바이오 공정의 실용화를 위해선, 개미산을 생산하는 화학공정과, 미생물 배양 공정을 통합한 통합 공정 연구 및 개미산과 이산화탄소만을 사용하여 성장하는 대장균의 성장 속도 향상 연구가 필요하다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

본 연구에서 개발한 대장균과 C1 탄소원을 개미산으로 전환하는 기술을 융합하여, C1 탄소원으로부터 화학물질을 생산하는 C1 가스리파이너리 시스템 구축을 최종 목표로 하고 있다. 향후 연구에서는 이번 연구에서 개발한 대장균을 개량하여 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 더 빠르게 성장하는 균주 개발, 개미산으로부터 화학물질을 생산하는 균주 및 발효공정 개발, C1 탄소원으로부터 개미산을 합성하는 공정과 개미산을 화학물질로 전환하는 미생물 발효공정을 하나로 융합하여, C1 탄소원을 화학물질로 전환하는 공정 개발 연구를 진행할 계획이다.

 

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