KAIST 이상엽 교수팀, 게놈 정보 이용 숙신산 고효율 생산 균주 개발
이상엽 교수
선진국을 중심으로 지속발전 가능한 산업구조로의 전환이 요구되는 시점에, 재생 가능한 원료로부터 화학물질을 만드는 세계 최고 수준의 인프라를 확보함으로써 국내 산업의 환경친화적인 산업구조로의 전환에 공헌할 것으로 전망
다양한 화학물질의 핵심 전구체로서 화학, 식품, 제약업계 등에서 널리 활용되고 있고, 이산화탄소를 효율적으로 고정화하여 교토프로토콜에도 적극적으로 대처할 수 있는 숙신산 생산 기술의 세계적인 우위를 점하게 됨.
연구 결과는 응용 미생물 연구 분야 권위 학술지인 미국 미생물학회 발간 응용환경미생물학지 (Applied and Environmental Microbiology) 3월호에 게재되었으며, 숙신산 과생산 균주 특허 1건, 핵심 유전자 특허 3건, 배양 특허 1건 등 5건의 특허가 출원됨.
1. 연구 개발 과정 및 결과
전 세계적으로 최근까지 350여종 이상의 생물체에 대한 전체 게놈 서열이 발표되고 1900여종에 대한 게놈서열이 진행되고 있다. 따라서 이들 정보를 활용한 게놈 수준의 연구에 대한 관심이 집중되고 있는 시점에서, 국내에서 게놈에서 생물공정까지 이르는 체계적인 연구기법을 통해 유용한 화학물질을 효율적으로 생산하는 미생물을 개발하는 개가를 올렸다.
KAIST 생명화학공학과 이상엽 LG화학 석좌교수(李相燁, 42세)연구팀이, 자체적으로 완성한 맨하이미아 균주의 게놈 정보를 기반으로 대사공학 기법을 활용하여 숙신산 고효율 생산 균주를 개발하였다고 9일 밝혔다. 이번 연구에 사용된 균주는 이교수팀이 한우의 반추위에서 분리한 맨하이미아균으로서, 이 균주의 게놈 프로젝트 완성 결과는 우리나라 최초의 게놈 논문으로 2004년 10월 네이처 바이오테크놀로지 (Nature Biotechnology)에 게재한 바가 있다.
이 교수는 이상준 박사, 송효학 박사와 함께 과학기술부 게놈 정보 활용 통합생물공정 원천기술 개발사업의 지원으로, 게놈 수준에서의 대사공학 기법을 적용하여 고효율로 숙신산을 생산함과 동시에 문제가 되는 부산물의 생산을 최소화 할 수 있는 균주를 개발하는데 성공하였다. 즉, 이제까지의 균주개발 연구 방식을 뛰어 넘어 게놈에서 유용한 생명공학제품의 효율적인 생산을 가능하게 하는 새로운 연구 모델을 제시하고, 이를 검증받았다는 점에서 그 의미가 더욱 크다.
이 교수팀은 생물정보학 기법을 이용하여 맨하이미아 게놈 정보로부터 숙신산 생산에 직·간접적으로 관여하는 유전자들을 발굴하고, 이를 바탕으로 숙신산은 많이 만들면서 초산, 젖산, 개미산 등 부산물은 거의 만들지 않는 균주를 디자인 하였다. 이렇게 디자인된 균주를 실제 제작하기 위하여 신규 유전자 조작 시스템 개발을 시작으로, 균주 유전자 제거 기술, 형질전환 기술 등을 개발하였고, 회분식 유가식 배양기술을 개발 실제 발효 연구까지 수행함으로서 게놈에서 생물공정에 이르는 체계적인 시스템을 개발하게 되었다.
2. 연구 개발성과 및 향후계획
맨하이미아를 이용하여 생산하는 숙신산은 일명 호박산으로 화학 핵심 전구체로 사용되어지고 있으며, 생분해성 고분자, 청정용매 (green solvent) 등으로도 사용이 가능하여 향후 1조원 이상의 시장규모를 형성할 것으로 예상되고 있다. 이 교수팀이 개발한 숙신산 과생산 균주개발 기술은 향후 우리나라에서 바이오기반의 화학물질 생산기술 개발에 있어 우위를 점할 수 있는 상징적인 의미가 있으며, 실제 바이오 기반 숙신산 생산기술의 상용화 가능성을 높여주었다는 평가를 받고 있다.
선진국을 중심으로 지속가능한 산업개발의 핵심으로서 원유에 의존하지 않고 재생 가능한 원료로부터 화학물질을 생산하는 환경친화적인 기술개발에 집중적인 연구 개발이 이뤄지고 있다. 이러한 시점에서, 이번 이교수팀이 개발한 연구 결과는 국내 바이오산업이 미국, 유럽, 일본 및 다른 선진국보다 우위성을 가질 수 있는 핵심 기술이 될 수 있다는 가능성을 보였다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히, 우리나라 생명공학자들이 다양한 산업생명공학 기술 개발에 박차를 가하고 있어 그 전망이 더욱 밝다고 하겠다.
특히, 맨하이미아 균은 숙신산을 생산하기 위하여 다량의 이산화탄소를 고정화함으로써 교토협약 및 UN 기후변화협약에의 대응에도 기여할 뿐 아니라, 배럴당 60불 이상의 고유가 시대에 원유에 의존하지 않고 재생가능한 원료로부터 숙신산 생산을 가능하게 함으로써 같은 기술을 다른 화학물질과 바이오에너지 생산에 적용함으로서 국내 원유 수입 의존도를 줄일 수 있다.
이번에 개발된 숙신산 고효율 균주와 관련하여 대사공학적으로 고효율 숙신산 생산 균주 특허 1건, 핵심 유전자 특허 3건, 배양 특허 1건이 출원되었으며, 미국 미생물학회에서 발간하는 응용미생물 관련 권위 학술지인 응용환경미생물학지(Applied and Environmental Microbiology) 3월호에 게재되었다.
이 교수는 “게놈 정보로부터 균을 체계적으로 엔지니어링하여 숙신산 고효율 균주를 탄생시킨 이상준 박사와 그에 따른 다양한 발효기술을 개발한 송효학 박사가 함께 만들어 낸 훌륭한 합작품이다”라고 평가하고, “향후 관련 기술을 지속적으로 발전시켜 게놈정보를 이용한 통합적인 생물공정 개발 원천기술을 확보하여 우리나라 생명공학 산업의 발전에 기여하고 싶다”고 말했다.
이상엽 교수는 1986년 서울대학교 화학공학과를 졸업하고, 1991년 미국 노스웨스턴대학교 화학공학과에서 석박사를 마쳤다. KAIST에서 약 12년 동안 대사공학에 관한 연구를 집중적으로 수행하여 그간 국내외 학술지논문 203편, proceedings논문 144편, 국내외 학술대회에서 715편의 논문을 발표하였고, 기조연설이나 초청강연을 200여회 한 바 있으며, Metabolic Engineering (Marcel Dekker 사 발간) 등 다수의 저서가 있다. 그간 131건의 특허를 국내외에 등록 혹은 출원하였는데, 미국 엘머 게이든상과 특허청의 세종대왕상을 받는 등 기술의 우수성이 입증된 바 있다. 생분해성고분자, 광학적으로 순수한 정밀화학물질, DNA chip, Protein chip 등의 기술 개발에서 탁월한 연구 업적을 쌓았고, 최근에는 소위 omics와 정량적 시스템 분석기술을 통합하여 생명체 및 세포를 연구하는 시스템 생명공학분야 연구와 게놈정보 이용 생물공정기술 개발에 매진하고 있다. 이교수는 그간 제 1회 젊은 과학자상 (대통령, 1998), 미국화학회에서 엘머 게이든 (Elmer Gaden)상 (2000), 싸이테이션 클래식 어워드 (미국 ISI, 2000), 대한민국 특허기술 대상 (2001), 닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인 (2003), KAIST 연구대상 (2004), 한국공학한림원 젊은 공학인상 (2005) 등을 수상하였고, 2002년에는 세계경제포럼으로부터 아시아 차세대 리더로 선정되어 활동 중이다.
<용어설명>
1)맨하이미아: 한우의 반추위에서 분리해 낸 세균으로 전체 이름은 맨하이미아 숙시니시프로듀센스 (Mannheimia succiniciproducens) MBEL55E 이다. 세균의 이름은 국제 명명법을 따라 행하고, 이 균의 경우 KAIST 이상엽 교수팀이 분리하여 숙신산을 많이 만든다고 하여 succiniciproducens라고 명명하였다.
2)숙신산(일명 호박산, succinic acid): 1550년 아그리콜라라는 사람이 화석(化石)이 된 수지인 호박(琥珀)을 건류하여 얻었다는 기록에서 호박산이라고도 부른다. 화학식은 HOOC-CH2-CH2-COOH로서 두개의 카르복실기를 가진 탄소 4개로 구성된 화합물이다. 식품첨가제, 의약품 첨가제, 범용 화학물질로서 널리 활용되고 있으며, 현재까지는 말레익산 (maleic acid)를 화학적으로 접촉 환원시켜 제조한다. 최근 재생 가능한 원료 (전분, 셀룰로우즈 등의 자연계에서 얻을 수 있는 renewable resources를 일컬음)로부터 화학물질을 생산하는 기술이 전 세계적으로 중요하게 부각됨에 따라 미생물 발효에 의한 생산법 개발에 박차를 가하고 있다. 최근 연구에 따르면 숙신산은 생분해성고분자의 원료로 사용될 수 있고, 다양한 청정 용매로 쓰일 수 있기 때문에 그 시장규모가 엄청난 속도로 팽창하고 있으며, 따라서 값싸게 발효 생산할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
3)게놈 정보: 게놈이란 생물체를 구성하고 기능을 발휘하게 하는 모든 유전정보를 보유한 유전자의 집합체로서, 부모로부터 자손에 전해지는 유전물질의 단위체를 뜻하기도 한다. 이때 게놈에서 유전정보는 DNA라는 분자구조로 존재하며 4가지 화학적 암호인 A·G·T·C 등의 염기서열로 표기되어 있다.
4)시스템 생명공학: 시스템 생명공학 (Systems Biotechnology)는 이상엽교수와 전 세계적으로 몇 안 되는 연구진에서 개척하는 연구 분야로서, 시스템 생물학 기법과 기존의 대사공학 및 생물공정 기술을 총체적으로 결합한 연구 분야를 말한다.
5)대사공학: 대사공학이란 유전자 재조합 기술과 관련 분자생물학 및 화학공학적 기술을 이용하여 새로운 대사회로를 도입하거나 기존의 대사회로를 증폭·제거·변형시켜 세포나 균주의 대사특성을 우리가 원하는 방향으로 바꾸는(directed modification) 일련의 기술을 칭한다.
웹사이트: http://www.kaist.ac.kr
연락처
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이 보도자료는 한국과학기술원(KAIST)가(이) 작성해 뉴스와이어 서비스를 통해 배포한 뉴스입니다.
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2019년 10월 24일 09:00
