미생물을 활용해 플라스틱과 바이오 연료 등 산업 핵심 화학물질을 친환경적으로 생산하는 ‘세포공장’의 설계도가 국내 연구진에 의해 완성됐다. 이는 화석 연료 고갈과 기후위기 속 지속 가능한 바이오 제조 기술을 갈망하는 세계적 흐름과 맞물려 주목받고 있다.
KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀은 최근 미생물을 활용한 바이오 제조 기술 개발을 위해 대장균, 효모, 고초균, 코리네박테리움, 슈도모나스 등 산업에서 가장 많이 쓰이는 5종의 미생물로부터 235가지 주요 화학물질의 생산 능력을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 종합적으로 평가했다.
생명화학공학과 이상엽 교수(왼쪽 위),생명화학공학과 지홍근 박사과정(오른쪽 위),생명화학공학과 김하림 박사과정, 생물공정연구센터 김기배 박사
기존 생물공정 기술은 최적의 균주 선정 및 효율적 생산 경로를 찾는 데 많은 시간과 비용을 소모했다. 그러나 이번 연구에서는 유전체 수준의 대사 모델을 활용한 가상 세포 시뮬레이션을 통해, 각 미생물이 생산할 수 있는 화학물질의 이론적 최대 수율과 실제 생산 가능한 최대 수율을 동시에 계산했다.
연구팀은 특히 타 생물체의 효소 반응을 미생물 내로 도입하거나 미생물이 사용하는 보조인자를 교환해 대사 경로를 확장하는 전략을 새롭게 제시했다. 이 방식으로 기존 미생물의 고유 대사능력을 뛰어넘는 높은 수율 달성이 가능하다는 점을 확인했다. 그 결과, 바이오 연료 원료인 메발론산, 플라스틱 원료 프로판올, 아이소프레노이드 등 산업적 중요 물질의 생산 효율이 크게 향상됐다.
대표적 산업 미생물을 활용한 유용 화학물질 생산 경로와 최대 수율 비교 모습
이번 연구의 주 저자인 김기배 박사는 “대사 경로 확장과 보조인자 교환 전략을 이용해 미생물 세포공장의 성능을 혁신적으로 끌어올릴 수 있었다”며 “이번에 제시한 방법이 바이오 기반 화학물질 생산 공정의 경제성과 효율성을 획기적으로 높일 것”이라고 밝혔다.
이상엽 교수는 “미생물 기반의 바이오 제조가 화석연료 기반의 화학 산업을 대체할 수 있는 강력한 대안으로 부상했다”며 “이번 연구 성과는 친환경 화학물질 제조 분야에서 핵심적 참고자료로 자리 잡아 향후 바이오플라스틱, 바이오 연료, 기능성 식품 등 다양한 산업 발전에 크게 기여할 것”이라고 강조했다.
이번 연구 결과는 국제적인 과학 저널 네이처가 발행하는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 24일자 온라인판에 게재됐다.
친환경투데이 정하준 기자 press@greenverse.net |
