마크로젠, 알코올생산박테리아 게놈프로젝트 완성
자이모모나스 사진
논문에 따르면 서정선교수, 정현용박사가 주축이 된 마크로젠 연구팀은 자이모모나스의 게놈정보를 모두 규명, 이를 DNA칩으로 만들어 알코올생산유전자를 찾아냄으로써 자이모모나스 세균이 다른 세균에 비하여 알코올 생산능력이 월등하게 우수한 이유를 유전자 수준에서 밝혀내는데 성공하였다.
또한 연구팀은 이들 유전자를 이용하여 알코올 생산능력을 극대화한 슈퍼알코올박테리아를 개발하는 데에도 성공하였다.
마크로젠 박현석 사장은 이번에 논문으로 발표한 내용이 마크로젠이 지난 2000년 서울대 강현삼(마크로젠 고문, 현재 서울대 명예교수), 이계준(서울대 생명과학부) 교수팀과 공동으로 수행한 자이모모나스 게놈프로젝트 연구결과와 산업자원부의 IMT-2000 출연금 기술개발사업 ‘알코올발효 생산성향상 기술개발’ 연구과제의 연구결과를 집대성한 연구성과라고 밝혔다.
마크로젠은 지난 2000년 8월 무작위적 샷건(Random Shotgun)방식을 주축으로 미 국립보건원이 수행한 유전자지도 작성방식을 결합한 연구방법을 통해 약 2.05Mbp 크기의 자이모모나스 전체 염기서열을 100% 분석 완료했으며, 총 1,998개의 유전자 및 그 위치를 밝혀냈다.
또한 2001년 11월 국내 최초로 NCBI(National Center for Biotechnology Information)의 진뱅크(Genbank)에 유전체정보를 등재하여 국제적으로 게놈프로젝트의 성공을 공인 받았다.
NCBI(National Center for Biotechnology Information)는 미국 국립보건원 산하기관으로서, 각종 생명체의 염기서열 정보를 구축하고 있는 Genbank를 운영하고 있다. Genbank는 일본(DDBJ;DNA Databank of Japan), 유럽(EMBL;the European Molecular Biology Laboratory)와 함께 International Nucleotide Sequence Database Collaboration을 구성하고 있으며 2004년 2월 기준 약 380억 개의 염기서열 정보를 확보하고 있다.
연구진은 이번에 최종 밝혀낸 1,998개의 유전자 중에서 1,346개(67.4%)는 기능이 일부 또는 전체적으로 알려진 유전자, 나머지 652개 (32.6%)는 기능이 전혀 알려지지 않은 새로운 유전자로 확인했다고 보고했다.
또한 연구팀은 자이모모나스 균주가 알코올 생산에 있어서 다른 미생물과 비교하여 월등히 높은 효율을 보이는 원인을 밝혀냈으며, 알코올발효에서 핵심적인 역할을 하는 54개의 유전자를 규명하여 논문에 이를 보고하였다.
마크로젠의 바이오인포매틱스 연구팀은 당시 연구소장이었던 박현석박사(현재 마크로젠 대표이사 사장)를 중심으로 유전자 염기서열 정보의 조각을 이어 붙이는 소위 ‘유전자 퍼즐’의 과제를 풀었다.
무작위적 샷건 방식의 기술적인 난점인 조각 배열(Gap Filling)의 컴퓨터 프로그램 개발에 성공하여 100% 게놈 분석을 이루어낸 것.
한편 논문의 공동 제1저자인 마크로젠의 정현용박사는 자이모모나스 유전자를 모두 집적시킨 DNA칩을 개발하고 이를 이용하여 알코올생산 유전자들을 밝히는데 성공하였다. 자이모모나스의 야생종(Wild Type: ZM1)과 알코올과량생산 박테리아인 ZM4의 유전적 차이 및 유전자발현의 차이를 이 DNA칩을 이용하여 밝혀낸 것. 정박사는 두 종의 박테리아가 가지고 있는 총 유전자에 다소간 차이가 있음을 발견하고, 그 유전자의 기능을 분석하여 이들이 알코올 생산에 관여하고 있음을 밝혀냈다.
나아가 정박사는 기존 자이모모나스에 이들 유전자를 삽입하여 새로운 박테리아(세균)를 만들어내는데 성공하였다. 이 세균은 알코올 생산에 있어서 기존에 최고의 알코올 생산성을 나타내는 것으로 알려진 박테리아(Zymomonas mobilis ZM4)에 비하여 20% 이상 알코올 생산성이 증가하는 것으로 확인되었다.
자이모모나스는 포도당(glucose), 과당(fructose), 서당(sucrose)을 에너지원으로 살아가는 혐기성 세균으로 지금까지 대체에너지 산업분야에서 다각적으로 연구가 진행되어 온 강력한 에탄올 발효 균주.
빠른 당 대사(Sugar Metabolism)를 유지해, 포도당 등 에너지원의 2-2.6%은 자체생육을 위해, 나머지 98%는 에탄올과 CO2생산에 사용한다. 또한 발효조건에 따라 다양한 부산물을 생성시킬 수 있어 혈장 대용제, 면역제 등과 같은 의약품 생산분야 등에도 응용될 수 있다.
자이모모나스를 이용한 바이오알코올 생산에 관한 연구는 미국에서 이미 지난 1990년경부터 시작되어 왔으며, 우리나라에서도 1990년대 중반부터 과학기술부를 중심으로 기초 연구가 시작되었다.
서울대 생명과학부(당시 미생물학과) 강현삼교수팀을 중심으로 컨소시움을 형성하여 진행하던 이 연구는 지노믹스 전문기업 마크로젠이 참여함으로써 알코올생산성 극대화를 목표로 하는 게놈프로젝트로 확대되었다.
게놈정보가 모두 밝혀진 2001년 이후부터는 정보통신부-산업자원부가 공동으로 추진한 IMT-2000 출연금 기술개발사업 [BT분야]의 일환으로 후속연구들이 수행되어 왔다.
유전자 특허 출원으로 대체에너지 개발 등 산업적 활용을 위한 준비 마쳐
한편 마크로젠은 2004년 11월 논문 발표에 앞서 알코올생산 유전자들과 자이모모나스유전자칩, 알코올과량생산 유전자변형미생물 등 이번 연구의 모든 결과에 대한 특허를 출원하였다.
또한 이 연구의 성과를 산업적으로 적용할 수 있는 후속 연구를 시작하였다.
게놈정보를 활용하여 알코올 생산성 및 알코올, 유기산 등에 대한 저항성을 더욱 높이고 다양한 탄소원(Carbon Source)을 이용할 수 있는 박테리아를 개발한다는 것이 향후의 핵심과제라는 것이 마크로젠의 설명.
즉, 옥수수줄기나 볏집 혹은 폐목재 등 다양한 생체폐기물을 100% 알코올로 바꿀 수 있는 미생물공장(Bio-Reactor)을 만든다는 것이다.
이번에 알코올 생산성 및 생산속도를 획기적으로 높인 박테리아 개발에 성공하였고, 향후에는 다양한 탄소원을 활용하는 박테리아를 개발하는 것이 목표이다. 이미 제작기술에 대한 노하우는 확보하였고, 타겟유전자를 고르고 있는 단계라는 것이 연구진의 설명.
마크로젠의 연구는 궁극적으로 알코올생산의 경제성을 획기적으로 높여 청정에너지(Clean Energy)원으로 활용하는 것이 목표이며, 수년 내에 산업현장에 적용할 수 있을 것이라는 것이 마크로젠의 기대이다.
한편 현재 미국에서는 수질 오염, 대기 오염과 같은 환경문제 등으로 인하여 가솔린 첨가제로 사용되던 MTBE (엠티비이; Methyl Tertiary Butyl Ether)가 뉴욕, 코네티켓, 캘리포니아 주에서 금지되면서 대용품으로 에탄올이 사용되고 있다. 이에 따라서 2003년 기준 28억 갤런의 에탄올이 생산되었으며 (99년 대비 91%, 02년 대비 32% 증가, 출처 Renewable Fuels Association, USA), 향후 이러한 추세가 지속적으로 확대되어 미국의 경우 2012년에 이르면 50억 갤런의 연료용 에탄올이 생산됨으로써 16억 배럴의 원유 수입이 감소하여 341억 달러의 무역수지 개선 효과가 유발될 것으로 예상하고 있다 (출처 AUS Consultants, 2002년 2월).
2003년 미국은 75개 바이오에탄올 정유소에서 106억 리터의 에탄올을 생산하였고, 2004년 현재 에탄올 정유공장 12개가 추가 건설되고 있다(출처 The Economist, 2004년 10월 4일 53쪽).
한편 EU는 바이오연료의 사용 비중을 2005년까지 전체 운송용 연료의 2%, 2010년까지는 6%까지 높인다는 목표를 천명한 바 있다.
또한 민간기업 차원의 연구도 활발하여 석유메이저인 로열더치쉘은 캐나다의 벤처기업인 아이오젠(Iogen)과 공동으로 바이오에탄올 공정을 개발하고 있다.
마크로젠의 서정선 회장은 “자이모모나스의 생명정보를 모두 확보하고 핵심유전자에 대한 특허를 확보한 만큼 슈퍼알코올박테리아를 이용한 에탄올 생산뿐만 아니라 및 유기산(Organic Acid: 숙신산 Succinate, 말산 Malate) 생산을 위한 대사공학(Metabolic Engineering) 분야로 연구 범위를 확대 하였으며 혈장대용제, 면역제 등 의약품 개발 연구도 시작할 것.”이라고 밝혔다.
마크로젠 개요
1997년 설립된 마크로젠(대표이사 김창훈, 이수강)은 전 세계 153개국 1만8000여 고객을 보유한 글로벌 정밀의학 생명공학 기업이다. 25년간 연구분야에서 쌓아온 유전체 분석 기술과 노하우를 바탕으로 개인 유전체 정보, 의료정보 등 빅데이터와 인공지능(AI) 기술을 결합해 데이터 기반의 개인맞춤의학을 실현하는 것을 목표로 하고 있다. 개인이 직접 신청하는 DTC 유전자 검사와 검진센터 등 의료기관을 통한 질병 예측 유전자 검사, 마이크로바이옴 분석 및 맞춤형 유산균 등 퍼스널 헬스케어 솔루션에서, 싱글셀(단일세포) 염기 서열 분석 등 연구 서비스, 암 유전체 검사 등 임상진단서비스, 반려동물 유전자 검사 서비스까지 유전체 기반의 다양한 전문 솔루션을 제공하고 있다.
웹사이트: http://www.macrogen.com
연락처
신정섭 차장 02-2113-7022
