미생물 이용한 천연 무지개 색소 생산 기술 개발
KAIST는 생명화학공학과 양동수 박사와 박선영 박사를 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 `일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 생산하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 8일 밝혔다.
이번 연구결과는 국제 학술지인 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난 5월 25일 字 온라인 출판됐으며, 표지논문으로 선정됐다.
※ 논문명 : Production of rainbow colorants by metabolically engineered Escherichia coli(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202100743)
※ 저자 정보 : 이상엽(한국과학기술원, 교신저자), 양동수(한국과학기술원, 공동 제1저자), 박선영(한국과학기술원, 공동 제1저자, 현 큐티스바이오), 포함 총 3명
우리 생활에서 널리 활용되고 있는 각종 색소는 식품과 같이 직접 섭취되거나 화장품과 같이 피부에서 흡수되기 때문에 건강과 밀접한 관계를 갖는다. 하지만 색소 중 대부분은 석유 화합물로부터 생산되는 합성 색소이며, 색소의 사용이 실생활에 널리 활용되는 만큼 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 그뿐만 아니라 합성 색소를 이용해 각종 옷감을 염색하면서 발생하는 폐수가 전체 산업용 폐수의 17~20%를 차지한다는 보고가 있을 정도로, 합성 색소는 수질오염에도 지대한 영향을 미치고 있다.
이러한 건강 문제 및 환경 오염 문제를 해결하기 위해 미생물을 이용해 천연색소를 생산해야 한다는 필요성이 제기됐으나, 값비싼 생산 공정 및 낮은 수율로 인해 산업화가 실현되기 어려운 상황이었다. 또한, 현재까지 빨강, 주황, 노랑, 파랑, 보라 등의 천연색소는 낮은 효율로 생산된 바 있으나, 초록 및 남색 천연색소 생산은 보고된 바가 없었다.
이에 KAIST 이상엽 특훈교수 연구팀은 농촌진흥청이 지원하는 농업미생물사업단 (단장 장판식)의 ‘카로티노이드 생산 미생물 세포공장 개발’ 과제(과제책임자 국립농업과학원 김수진 박사)의 지원을 받아 효율적인 빨강, 주황, 노랑 3색의 카로테노이드 생산과 이를 확장한 7가지 무지개색을 모두 생산할 수 있는 기술 개발에 성공했다.
다양한 특성의 천연색소 중 연구팀은 지용성 식품과 의류 염색 등에 활용되는 소수성 천연색소에 주목했다. 연구팀은 미생물의 대사회로를 조작하는 기술인 대사공학을 이용해 카로티노이드 계열 색소인 ▲아스타잔틴(빨강), ▲베타-카로틴(주황), ▲제아잔틴(노랑)과 비올라세인 유도체 계열 색소인 ▲프로비올라세인(초록), ▲프로디옥시비올라세인(파랑), ▲비올라세인(남색), ▲디옥시비올라세인(보라)을 생산하는 대장균들을 개발하였다. 이로써 연구팀은 포도당이나 글리세롤을 먹이로 개발한 대장균을 배양함으로서 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 모두 생산할 수 있게 되었다.
미생물에서 소수성 색소가 생산되면 이는 세포 밖으로 배출되지 않고 세포 내부에 축적된다. 색소가 축적될 수 있는 세포의 수용력에는 한계가 있으므로, 그동안 소수성 색소를 특정량 이상으로 생산할 수 없었다. 이에 연구팀은 세포의 모양을 변화시키거나 세포 내 소낭을 형성해 미생물 내부의 소수성 천연색소 축적량을 증가시키고자 했다. 또한, 색소 생산량을 더욱 증가시키기 위해 연구팀은 세포 외 소낭을 형성해 미생물 밖으로 소수성 천연색소를 분비해 무지개 색소를 고효율로 생산하는 데 성공했다.
이번 연구를 통해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당 또는 산업공정의 부산물로 생산되는 값싼 바이오매스인 글리세롤을 단일 탄소원으로 사용해 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 생산하는 대장균 균주를 최초로 개발했다고 연구팀 관계자는 설명했다.
연구에 참여한 양동수 박사는 “석유 화합물 기반의 합성 색소를 대체할 수 있는 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 세계 최초로 생산했으며, 이번 연구는 특히 색소를 비롯한 천연물을 고효율로 생산할 수 있는 범용 대사공학적 전략을 개발했다는 점에 의의가 있다”며 “이번 기술을 활용해 색소뿐만 아니라 의약품, 영양보조제 등의 다양한 친환경 물질을 고효율로 생산할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
연구결과 개요
□ 연구배경
ㅇ 실생활에서 널리 활용되고 있는 각종 색소는 식품과 같이 직접 섭취되거나 화장품과 같이 피부에서 흡수되기 때문에 건강과 밀접한 관계를 갖는다. 하지만 색소 중 대부분은 석유 화합물로부터 생산되는 합성 색소이며, 색소의 사용이 실생활에 널리 활용되는 만큼 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 그뿐만 아니라 합성 색소를 이용하여 각종 옷감을 염색하면서 발생하는 폐수가 전체 산업용 폐수의 17-20%를 차지한다는 보고가 있을 정도로, 합성 색소는 수질오염에도 지대한 영향을 미치고 있다.
ㅇ 이러한 건강 문제 및 환경 오염 문제를 해결하기 위해 미생물을 이용하여 천연색소를 생산해야 한다는 필요성이 제기됐으나, 값비싼 천연색소 생산 공정 및 낮은 수율로 인해 산업화가 실현되기 어려운 상황이었다. 또한, 현재까지 빨강, 주황, 노랑, 파랑, 보라 등의 천연색소는 생산된 바 있으나, 초록 및 남색 천연색소는 보고된 바가 없었다.
ㅇ 이에 KAIST 양동수 박사와 박선영 박사 (지도교수 이상엽 특훈교수) 연구팀은 포도당 또는 글리세롤로부터 일곱 빛깔의 무지개 색소를 생산할 수 있는 대장균 균주 개발 연구를 수행했다.
□ 연구내용
ㅇ 다양한 특성의 천연색소 중 연구팀은 지용성 식품과 의류 염색 등에 활용되는 소수성 천연색소에 주목했다. 연구팀은 미생물의 대사회로를 조작하는 기술인 대사공학을 이용하여 카로티노이드 계열 색소인 ▲아스타잔틴(빨강), ▲베타-카로틴(주황), ▲제아잔틴(노랑)과 비올라세인 유도체 계열 색소인 ▲프로비올라세인(초록), ▲프로디옥시비올라세인(파랑), ▲비올라세인(남색), ▲디옥시비올라세인(보라)을 생산하는 데 성공하였다. 이로써 연구팀은 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 모두 생산하였다.
ㅇ 미생물을 통해 소수성 색소를 생산하면 미생물 내부에 소수성 색소가 축적된다. 세포 내부의 수용력에는 한계가 있으므로, 그동안 소수성 색소를 특정량 이상으로 생산할 수 없었다. 이에 연구팀은 ▲세포의 모양을 변화시키거나 ▲세포 내 소낭을 형성하여 미생물 내부의 소수성 천연색소 축적량을 증가시키고자 하였다. 또한, 색소 생산량을 더욱 증가시키기 위하여 연구팀은 ▲세포 외 소낭을 형성하여 미생물 밖으로 소수성 천연색소를 분비하여 무지개 색소를 고효율로 생산하는 데 성공하였다.
ㅇ 이번 연구를 통해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당 또는 산업공정의 부산물로 생산되는 값싼 바이오매스인 글리세롤을 단일 탄소원으로 사용해 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 생산하는 대장균 균주를 최초로 개발했다고 연구팀 관계자는 설명했다.
연구이야기
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
실생활에서 널리 활용되고 있는 각종 색소는 식품과 같이 직접 섭취되거나 화장품과 같이 피부에서 흡수되기 때문에 건강과 밀접한 관계를 갖는다. 하지만 색소 중 대부분은 석유 화합물로부터 생산되는 합성 색소이며, 색소의 사용이 실생활에 널리 활용되는 만큼 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 그뿐만 아니라 합성 색소를 이용하여 각종 옷감을 염색하면서 발생하는 폐수가 전체 산업용 폐수의 17-20%를 차지한다는 보고가 있을 정도로, 합성 색소는 수질오염에도 지대한 영향을 미치고 있다. 이러한 건강 문제 및 환경 오염 문제를 해결하기 위해 미생물을 이용하여 천연색소를 생산해야 한다는 필요성이 제기됐으나, 값비싼 천연색소 생산 공정 및 낮은 수율로 인해 산업화가 실현되기 어려운 상황이었다. 또한, 현재까지 빨강, 주황, 노랑, 파랑, 보라 등의 천연색소는 생산된 바 있으나, 초록 및 남색 천연색소는 보고된 바가 없었다. 이에 따라 본 연구팀은 위와 같은 문제를 해결하기 위하여, 각종 색상의 천연색소를 미생물로부터 생산하는 방법 개발 연구를 수행하게 되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
본 연구팀은 지용성 식품과 의류 염색 등에 활용되는 소수성 천연색소에 주목했다. 실생활에 활용될 수 있는 모든 색상의 색소를 생산하기 위하여, 카로티노이드 계열 색소인 아스타잔틴(빨강), 베타-카로틴(주황), 제아잔틴(노랑)과 비올라세인 유도체 계열 색소인 프로비올라세인(초록), 프로디옥시비올라세인(파랑), 비올라세인(남색), 디옥시비올라세인(보라)을 표적 색소로 정하였다. 그 후 미생물의 대사회로를 조작하는 기술인 대사공학을 이용하여 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 모두 생산하였다. 미생물을 통해 소수성 색소를 생산하면 미생물 내부에 소수성 색소가 축적된다. 세포 내부의 수용력에는 한계가 있으므로, 그동안 소수성 색소를 특정량 이상으로 생산할 수 없었다. 이에 연구팀은 세포의 모양을 변화시키거나 세포 내 소낭을 형성하여 미생물 내부의 소수성 천연색소 축적량을 증가시키고자 하였다. 또한, 색소 생산량을 더욱 증가시키기 위하여 세포 외 소낭을 형성하여 미생물 밖으로 소수성 천연색소를 분비하여 무지개 색소를 고효율로 생산하는 데 성공하였다. 이번 연구를 통해 포도당 또는 글리세롤을 단일 탄소원으로 사용해 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 고효율로 생산하는 대장균 균주를 최초로 개발할 수 있었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
세포 내 소낭 및 세포 외 소낭의 형성을 증명하고 관찰하는 데 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위하여 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM) 분석을 반복적으로 수행하여 소낭의 형성을 관찰하고 입증하였다. 전자현미경 분석 과정에서 다양한 조건을 테스트하여 분석을 최적화할 수 있었다. 또한, 소낭의 직접 관찰을 통하여 실험을 통하여 얻은 결과를 분석하고 다음 전략을 수립할 수 있었다. 특히, 주사전자현미경 분석을 통하여 형성된 세포 외 소낭의 일부가 뭉쳐서 세포 표면에 달라붙은 채로 형성됨을 관찰할 수 있었다. 이러한 면밀한 분석을 통하여 천연 무지개 색소를 고효율로 생산하는 미생물 균주를 개발하는 데 성공할 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
본 연구는 최초로 초록 및 남색 천연색소를 생산하였을 뿐만 아니라, 천연색소로 구성된 일곱 색상의 무지개 색소 모두를 미생물을 통하여 최초로 생산하였다. 또한, 기존의 대사공학 및 단편적인 세포막 개량 전략을 업그레이드하고 통합하여 완성된 시스템대사공학-세포막 개량 통합 전략을 완성하였다. 본 연구를 통하여 개발된 시스템대사공학-세포막 개량 통합 전략은 다른 소수성 천연물의 고효율 생산에도 유용하게 쓰일 것으로 기대된다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
미생물을 활용한 친환경적이고 지속 가능한 방법으로 다양한 고부가가치 천연물을 생산·산업화하기 위한 연구를 지속적으로 진행할 계획이다. 특히 본 연구를 통하여 생산한 무지개 색소의 생산성을 더욱 증대시켜 산업화를 위한 발판을 마련하고자 한다. 그뿐만 아니라 생활에 유용하게 활용될 수 있는 다른 유용한 색소 또한 발굴하여 생산하고자 한다. 본 연구팀은 이로써 국민의 건강 증진 및 보다 편리한 삶에 기여하기 위하여 끊임없이 노력할 것이다.
[그림 1] 미생물을 통해 생산한 일곱 가지 무지개 색소
시스템대사공학을 통해 미생물 대사회로를 구축 및 최적화하고, 세포막 개량을 통해 색소 생산량을 증가시킴으로써 일곱 빛깔의 무지개 색소를 고효율로 생산해내는데 성공하였음.
생명과학 KAIST (2021-06-08)
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