한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 미생물 5종을 컴퓨터 시뮬레이션해 바이오 연료, 플라스틱 등의 원료인 235가지 화학물질을 효율적으로 생산할 수 있는 길을 열었다. 한국 바이오 공급망의 경쟁력 강화가 기대된다.
KAIST는 이상엽 생명화학공학과 특훈교수팀이 다양한 산업용 미생물 세포공장 생산 능력을 종합 평가하고, 이를 토대로 화학물질 생산에 가장 적합한 미생물 균주 선정 및 대사 공학 최적화 전략을 제시했다고 7일 밝혔다.
미생물 세포 공장은 대사공학 기술로 미생물을 개량, 화학물질 생산 플랫폼화 한 것이다. 최적의 균주와 효율적인 대사공학 전략을 도출하려면 방대한 생물 실험과 검증으로 막대한 시간·비용이 소요된다.
이에 최근에는 미생물 유전체 정보를 바탕으로 유기체 내 대사 네트워크를 재구성한 유전체 수준 대사 모델 컴퓨터 시뮬레이션이 활용된다.
연구팀은 대표적인 산업 미생물인 △대장균 △효모 △고초균 △코리네박테리움 글루타미쿰 △슈도모나스 푸티다의 235가지 유용 화학물질 생산 능력을 종합 평가했다.
대사 모델로 이들 미생물의 최대 이론 수율과 실제 달성 가능한 최대 수율을 계산해, 각 화학물질 생산에 가장 적합한 균주 선정 기준을 마련했다.
연구팀은 특히 타 생물 유래 효소 반응을 미생물에 도입하거나, 미생물이 사용하는 보조인자를 교환해 대사 경로를 확장하는 전략을 제안했고, 이로써 기존 대사능력을 초과하는 수율 향상이 가능함을 확인했다. 메발론산, 프로판올, 지방산, 아이소프레노이드 등 중요 화학물질 생산 수율이 증가했다.
또 각 화학물질 생산 극대화에 필요한 균주 개량 전략도 제시했다. 효소 반응과 대사물질 간 관계를 정량 분석해 조절해야 할 효소 반응을 도출했다. 이론이 아니라 생산 능력을 극대화할 수 있는 구체적인 전략들을 제시한 것이다.
이번 논문 제 1저자인 김기배 KAIST 박사는 “이번에 마련한 전략은 미생물 기반 생산 공정을 더욱 경제적·효율적으로 발전시키는데 핵심 역할을 할 것”이라고 설명했다.
이상엽 교수는 “향후 바이오 연료, 바이오플라스틱, 기능성 식품 소재 등 다양한 친환경 화학물질 생산 기술 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다” 고 밝혔다.
이번 논문은 '네이처 커뮤니케이션즈'에 3월 24일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
