KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 산업용 미생물 의 생산 능력을 컴퓨터 시뮬레이션으로 종합 분석해, 바이오 연료 및 바이오 플라스틱 등 산업적으로 중요한 235가지 화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있는 기반을 마련했다고 7일 밝혔다.
이번 연구는 유전체 수준의 대사 모델을 활용해 대장균, 효모, 고초균, 코리네박테리움 글루타미쿰, 슈도모나스 푸티다 등 5종의 대표적인 산업용 미생물의 대사 흐름을 정밀 분석한 결과다.
KAIST 연구팀은 각 미생물 이 생산할 수 있는 화학물질의 최대 이론 수율과 실제 공정에서 도달 가능한 수율을 계산해, 특정 화학물질 생산에 가장 적합한 균주를 도출할 수 있는 체계를 구축했다.
미생물 세포공장은 재생 가능한 자원을 활용해 친환경 화학물질을 생산할 수 있는 유망 기술로 주목받고 있다.
하지만 균주의 초기 선정과 대사경로 최적화는 실험적 한계와 복잡성으로 인해 기술 상용화에 걸림돌로 작용해왔다.
이에 따라 연구팀은 가상세포를 활용한 시스템 대사공학 기법으로 기존 실험 방식의 한계를 보완했다.
이 방법을 통해 기존 균주의 선천적 대사능력을 초과하는 수율 향상이 가능함을 확인했으며, 메발론산, 프로판올, 지방산, 아이소프레노이드 등 다양한 산업용 화학물질의 생산성을 크게 향상시켰다.
또한 연구팀은 가상세포 내 대사 흐름 분석을 통해 특정 효소 반응과 목표 물질 생산 간의 정량적 상관관계를 밝혀내고, 상향 또는 하향 조절이 필요한 효소 반응들을 제시했다.
이를 기반으로 최적의 균주 개량 전략 수립이 가능해졌다.
이번 연구는 바이오 연료, 바이오 플라스틱, 기능성 식품 소재 등 다양한 친환경 화학물질의 생산 기술 개발에 있어 실질적인 설계 도구로 활용될 수 있다는 점에서 산업적 파급력 또한 클 것으로 기대된다.
특히 기존의 생물 실험 중심 연구를 보완하는 데이터 기반 전략으로서, 시스템 대사공학 분야의 기술 발전 가능성을 새롭게 제시한 사례로 주목된다.
이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 미생물 균주 선정과 대사경로 설계 단계에서의 난제를 줄이고, 더욱 효율적인 세포공장 개발의 길을 열었다”며 “다양한 친환경 화학소재 생산에 있어 새로운 전기를 마련할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 3월 24일자로 게재됐다.
배동현 ([email protected]) 기사제보
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