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대사공학 및 컴퓨터 기반 효소 개량을 통한 대장균에서의 카르민산 생산
양동수
양동수 (KAIST)
2021 BRIC 세미나 하반기  |  2021.10.08
카르민산(carminic acid)은 방향족 폴리케타이드의 하나로, 붉은색 천연색소로써 딸기우유, 사탕 등의 식품과 매니큐어, 립스틱 등 화장품 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 카르민산은 연지벌레(cochineal) 추출을 통해 얻어지는데, 연지벌레는 한정된 지역(페루, 카나리아 제도 등지)에서만 재배할 수 있으며, 연지벌레로부터 카르민산을 추출하기 위해서는 복잡하고 비효율적인 다단계 반응을 거쳐야 합니다. 또한, 카르민산은 대부분 연지벌레에서 기인한 단백질 오염물질을 포함하고 있는데 이는 알레르기 반응을 유발할 수도 있으며, 많은 사람이 벌레 기반 물질을 섭취하는 것을 꺼리고 있는 상황입니다. 이에 따라 본 연구진은 포도당으로부터 카르민산을 생산할 수 있는 미생물 균주 개발 연구를 수행하고자 하였습니다. 우선 타입 II 폴리케타이드 생합성 효소를 최적화하여 카르민산의 전구체인 flavokermesic acid를 생산하는 대장균 균주를 구축하였습니다. 하지만 남은 두 단계의 반응을 수행하기 위한 효소가 아직 발굴되지 않았거나 대장균 내에서 작동하지 않는 문제가 있었으므로, 생화학 반응 분석을 통해 카르민산 생산을 위한 효소 후보군을 선정하였고 세포 실험을 진행하였습니다. 이렇게 선정된 효소 두 종에 대하여 컴퓨터 기반 상동 모형 및 도킹 시뮬레이션을 수행하여 활성이 증대된 돌연변이 효소를 예측하였고, 이에 기반한 효소 개량을 수행함으로써 증대된 활성을 지니는 효소를 개발하는 데 성공하였습니다. 이로써 본 연구진은 포도당으로부터 0.63 mg/L의 카르민산을 생산하는데 성공하였습니다. 본 연구를 통하여 개발한 C-글리코실전이효소는 카르민산 뿐만 아니라 알로에 추출 성분인 알로에신 최초 생산에도 적용됨에 따라, 이번 연구를 통해 개발한 대사공학 및 가상 시뮬레이션 기반 효소 개량 전략은 생산경로가 규명되지 않은 다른 천연물의 생산에도 유용하게 쓰일 것으로 기대됩니다
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