상호작용 가능한 바이오 기반 친환경 화학물질 합성지도 완성
KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 미생물에서 화학물질을 생산하기 위한 바이오 화학반응을 총망라한 웹 기반의 합성 지도를 완성했다고 29일 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지인 `생명공학 동향(Trends in Biotechnology)'에 8월 10일 字 게재됐다.
※ 논문명 : An interactive metabolic map of bio-based chemicals(ScienceDirect)
※ 저자 정보 : 장우대(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 김기배(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 3명
급격한 기후 변화와 환경오염에 대응하기 위해 석유화학 제품을 미생물을 활용해 생산하는 연구가 주목받고 있다. 미생물을 이용해 다양한 화학 물질, 재료, 연료 등을 합성하기 위해선 목표 물질의 생합성 경로를 탐색 및 발굴해 미생물 내에 도입하는 것이 우선돼야 한다. 또한, 다양한 화학물질을 효율적으로 합성하기 위해선 미생물을 이용한 생물공학적 방법뿐만 아닌 화학적 방법 또한 통합해 활용할 필요가 있다.
지난 2019년, 이상엽 특훈교수팀은 미생물을 이용해 화학물질을 합성할 수 있는 경로를 기존 화학반응 공정과 함께 정리한 지도를 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 발표한 바 있다. 당시 편찬한 지도는 네이처 측에서 포스터 형식으로 전 세계의 산업계 및 학계에 배포해 각 화학물질의 합성 경로를 한눈에 확인할 수 있도록 했다.
연구팀은 전 세계적인 관심을 바탕으로 지난번에 공개한 바이오 기반 화학물질 합성 지도를 업데이트 및 확장하고, 웹 기반으로 제작해 누구나 쉽게 접근하여 각 화학물질 합성을 위한 효율적인 경로를 빠르게 탐색할 수 있도록 했다. 사용자는 개발한 웹 기반의 합성 지도에서 제공하는 대화형 시각적 도구를 사용해 다양한 화학물질 생산으로 이어지는 생물학적 및 화학적 반응의 복잡한 네트워크를 분석할 수 있다. 또한, 이번 개편에서는 식품, 의약품, 화장품 등에 활용할 수 있는 다양한 천연물과 그 합성 경로를 추가해 지도의 활용성을 넓혔다. 발표한 바이오 기반 화학물질 합성지도는 http://systemsbiotech.co.kr 에서 확인할 수 있다.
공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 장우대 박사와 김기배 박사과정생은 “기존 배포했던 합성 지도의 업데이트와 사용성 증대에 대한 요구를 반영하여 이번 연구를 진행했다”라고 말했으며, “이번 논문에서 정리한 생물공학적 방법과 화학공학적 방법을 통합한 화학물질 생산 전략과 전망은 미생물 세포 공장 구축 시 화학물질의 합성 경로 설계뿐만 아닌, 신규 물질의 생합성 경로 설계에도 유용하게 활용할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.
이상엽 특훈교수는 “이번 연구에서 업데이트한 웹 기반 합성 지도는 기후 위기와 탄소중립에 대응하기 위한 바이오 기반 화학물질 생산 연구의 청사진으로서 역할을 할 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 과제 지원을 받아 수행됐다.
연구개요
□ 연구 배경
ㅇ 기후 변화 및 기타 환경 문제에 대한 우려로 인해 재생 가능한 자원에서 화학물질을 바이오 기반으로 생산하는 기술이 각광받고 있다. 다양한 화학 물질, 재료, 연료 및 천연물을 생산할 수 있는 고성능 균주를 개발하기 위해 대사공학 연구가 활발히 진행되고 있다. 미생물 세포 공장을 구축하기 위해선 원하는 화학물질을 생합성 할 수 있는 경로를 초기에 구성하고, 이후 전체 세포의 대사 및 조절 네트워크를 시스템 수준에서 최적화한다. 미생물 내에서 비천연 화학물질을 생산하기 위해서는 이종 생명체의 효소를 활용하거나, 새롭게 효소를 설계하여 사용할 수 있다.
ㅇ 목표 화학물질 생산을 위한 효율적인 경로를 빠르게 탐색하는 것은 대사 공학을 이용한 미생물 세포 공장 구축의 초기 단계에서 중요하다. 이전 연구에서는 생물공학적 방법과 화학적 방법, 그리고 이 두 방법의 복합적인 방법을 이용하여 생산할 수 있는 화학물질의 합성 경로를 정리하여 지도로 발표한 바 있다. 해당 지도는 포스터 형식으로 배포하여 산업계와 학계에서 활용해왔다.
ㅇ 생물에서의 천연물 생산 연구에 활용된 시스템 대사공학의 최신 연구 동향과 도구 및 전략을 정리하고 더 나아가 천연색소 생산의 미래 연구 방향을 제시하였다.
□ 연구내용
ㅇ 본 연구에서는 기존의 바이오 기반 화학물질 합성 지도를 확장하고, 이를 웹 기반으로 배포하여 지속적인 업데이트가 가능한 최신 버전의 합성 지도를 발표하였다. 해당 지도는 http://systemsbiotech.co.kr 에서 접근 가능하며, 대화형 시각적 도구를 제공하여 다양한 화학 물질에 대한 정보 및 복잡한 합성 경로를 효율적으로 탐색할 수 있도록 하였다. 미생물 세포 공장을 개발하여 생산된 대표 천연색소들의 생합성 경로를 총망라하여 최신 연구내용과 흐름을 한눈에 파악할 수 있는 대사회로 지도를 정리하였다. 또한, 공통적 또는 개별적으로 활용된 시스템 대사공학의 최신 도구 및 전략을 구체적인 예시와 함께 개요도에 표현하여 최신 연구 동향을 쉽고 빠르게 이해할 수 있게 하였다.
ㅇ 본 연구진은 생물공학적 또는 화학적 방법을 통합하여 생산할 수 있는 미생물 세포 공장 사례를 소개하고 각 생산 전략을 서술함으로써 시스템 대사공학의 최신 동향을 정리하였다.
□ 연구 배경
ㅇ 기후 변화 및 기타 환경 문제에 대한 우려로 인해 재생 가능한 자원에서 화학물질을 바이오 기반으로 생산하는 기술이 각광받고 있다. 다양한 화학 물질, 재료, 연료 및 천연물을 생산할 수 있는 고성능 균주를 개발하기 위해 대사공학 연구가 활발히 진행되고 있다. 미생물 세포 공장을 구축하기 위해선 원하는 화학물질을 생합성 할 수 있는 경로를 초기에 구성하고, 이후 전체 세포의 대사 및 조절 네트워크를 시스템 수준에서 최적화한다. 미생물 내에서 비천연 화학물질을 생산하기 위해서는 이종 생명체의 효소를 활용하거나, 새롭게 효소를 설계하여 사용할 수 있다.
ㅇ 목표 화학물질 생산을 위한 효율적인 경로를 빠르게 탐색하는 것은 대사 공학을 이용한 미생물 세포 공장 구축의 초기 단계에서 중요하다. 이전 연구에서는 생물공학적 방법과 화학적 방법, 그리고 이 두 방법의 복합적인 방법을 이용하여 생산할 수 있는 화학물질의 합성 경로를 정리하여 지도로 발표한 바 있다. 해당 지도는 포스터 형식으로 배포하여 산업계와 학계에서 활용해왔다.
ㅇ 생물에서의 천연물 생산 연구에 활용된 시스템 대사공학의 최신 연구 동향과 도구 및 전략을 정리하고 더 나아가 천연색소 생산의 미래 연구 방향을 제시하였다.
생명과학 KAIST (2022-08-29)