카이스트 '235종 화학물질 친환경 생산 설계도' 완성

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 산업용 미생물 5종을 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석해 235종에 대한 최적의 미생물 균주와 대사공학 전략을 제시했다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀이 다양한 산업용 미생물 세포공장의 생산능력을 가상세포로 종합평가해 특정 화학물질 생산에서 최적의 미생물 균주를 선정할 수 있는 대사공학 전략을 제시했다고 7일 밝혔다.

미생물 세포공장은 재생가능한 자원을 활용해 친환경적인 화학물질 생산 플랫폼으로 각광받고 있으며 미생물을 개량하기 위한 대사공학 기술은 세포공장 생산효율을 극대화하는 핵심도구다.
 
아직 미생물 세포공장을 구축키 위해 필요한 균주 선정의 어려움과 복잡한 대사경로 최적화 등의 문제점으로 실제 공정 적용에는 한계가 있다.
 
이번에 이상엽 특훈교수팀은 ▲대장균(Escherichia coli) ▲효모(Saccharomyces cerevisiae) ▲고초균(Bacillus subtilis) ▲코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum) ▲슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida) 등 대표적인 산업 미생물 5종의 화학물질 생산능력을 235가지 유용물질을 대상으로 종합평가했다.

연구팀은 유전체 수준의 대사모델을 이용해 이들 미생물이 생산할 수 있는 화학물질의 최대 이론수율과 실제 공정에서 달성 가능한 최대 수율을 계산해 각 화학물질 생산에 가장 적합한 균주를 선정할 수 있는 기준을 마련했다.
 
또 타 생물에서 유래한 효소반응을 미생물에 도입하거나 미생물이 사용하는 보조인자를 교환해 대사경로를 확장할 수 있는 전략도 제안했다.

이 전략을 통해 기존 미생물의 선천적 대사능력을 초과하는 수율 향상이 가능함을 확인하고 메발론산, 프로판올, 지방산, 아이소프레노이드와 같은 산업적으로 중요한 다양한 화학물질의 생산수율을 끌어 올렸다.

특히 연구팀은 특정 효소반응과 목표 화학물질 생산의 상관관계 및 효소반응과 대사물질 간 관계를 정량적으로 분석해 상향 및 하향 조절해야 할 효소반응을 도출하는 등 각 화학물질 생산을 극대화시키기 위해 필요한 균주 개량전략을 제시했다.

연구결과는 국제 학술지 네이처(Nature)가 발행하는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 24일 게재됐다.(논문명:Comprehensive evaluation of the capacities of microbial cell factories(KAIST 김기배 제1 저자/KAIST 김하림 제2 저자/ 이상엽 교수 교신저자)

제 1저자인 김기배 박사는 "단순히 높은 이론적 수율뿐 아니라 실제 생산능력을 극대화할 수 있는 구체적인 전략을 제시했다"며 "이번 연구에서 제공하는 전략은 미생물 기반 생산 공정을 더욱 경제적이고 효율적으로 발전시키는데 핵심적인 역할을 할 것"이라고 설명했다.

이상엽 특훈교수는 "시스템 대사공학 분야에서 미생물 균주선정과 대사경로 설계단계에서 어려움을 줄이고 더 효율적인 미생물 세포공장 개발을 위한 핵심 참고자료가 될 것으로 기대한다"면서 "향후 바이오 연료, 바이오플라스틱, 기능성 식품 소재 등 다양한 친환경 화학물질 생산기술 개발에 큰 힘을 싣게 됐다"고 말했다.


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