친환경을 위한 숙신산 세계 최고 수준 생산 성공
지구 온난화 등의 심각한 환경 문제로 인해 화석 연료를 대체할 수 있는 친환경 기반 화학물질 생산 기술개발의 필요성이 지속적으로 증가하고 있다. KAIST 연구진이 화학적인 공정이 아닌 시스템 대사공학을 활용, 플라스틱의 원료와 식품, 의약품 등의 합성에 사용되는 매우 중요한 산업 기반 화학물질인 숙신산을 세계 최고 수준으로 생산하는 데 성공해 화제다.
KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 김지연 박사과정생과 이종언 박사를 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 마그네슘(Mg2+) 수송 시스템을 최적화함으로써 고효율 숙신산 생산 균주를 개발했다고 11일 밝혔다.
이상엽 특훈교수 연구팀은 한우의 반추위에서 분리한 미생물인 ‘맨하이미아 (Mannheimia)’의 대사회로를 조작하고 마그네슘 수송 시스템을 최적화해 세계 최고 수준의 생산성을 갖는 숙신산 생산 기술을 개발했다.
연구팀은 미생물 발효 과정 중 pH 조절을 위해 사용되는 다양한 알칼리성 중화제가 숙신산 생산에 미치는 영향을 파악하고, 최적화된 중화제를 선정했다. 특히 수산화마그네슘(Mg(OH)2)이 포함된 중화제를 사용, 마그네슘이 미치는 생리학적 영향을 분석해 세포 성장과 숙신산 생산에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다.
또한, 맨하이미아 내 존재하는 마그네슘 수송체인 corA 유전자를 규명하고, 다양한 마그네슘 수송체를 도입해 마그네슘의 수송을 더욱 향상했다. 그중 살모넬라 엔테리카(Salmonella enterica) 균에서 유래한 고효율 마그네슘 수송체를 도입해 시스템을 최적화한 결과 152.23 g/L의 숙신산을 생산했으며, 최대 생산성은 39.64 g/L/h를 달성했다.
이는 기존 대비 약 2배 향상된, 현재까지 보고된 세계 최고의 숙신산 생산성 수치로, 연구팀은 이 과정에서 계속해서 세계 기록을 세우며 자체 기록을 경신하고 있다. 이는 생물학적 플랫폼을 통해 화학물질 생산을 극대화한 중요한 발전으로 의의를 지닌다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 김지연 박사과정생은 “마그네슘 수송 시스템을 최적화해 고농도의 숙신산을 생산했다는 점에 의의가 있다”며, “이 기술이 향후 중요한 화학물질들을 생물학적으로 생산하는 미생물 균주 개발의 전략으로 작용할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한, 이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 숙신산 생산의 새로운 표준을 제시했으며 생물 기반 화학물질의 경제성을 크게 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 지속 가능한 바이오화학 산업의 발전에도 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
해당 연구 결과는 국제 학술지인 `미국 국립과학원 회보(PNAS)'에 9월 6일(현지시간) 자 게재됐다.
※ 저자 정보 : 김지연(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 이종언(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 안정호(한국과학기술원), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 4명
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제(과제 책임자 KAIST 이상엽 특훈교수)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 연구 배경
ㅇ 바이오리파이너리는 바이오매스 원료에서 생물공학적·화학적 기술을 이용해 화학제품·바이오연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 연구분야에 해당한다. 바이오리파이너리에서의 “시스템 대사공학”은 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작하여, 바이오매스 원료로부터 산업 화학물질의 생산능을 최대치로 끌어올릴 수 있는 핵심기술이다.
ㅇ 다양한 화학물질의 핵심 전구체로서 화학, 식품, 제약업계 등에서 널리 활용되고 있고, 나일론, PBS 등의 고분자의 전구체로 산업 전반에 이용되는 숙신산을 재생가능한 자원으로부터 미생물을 이용하여 생산하는 연구는 전 세계의 관심을 받아왔다. 화석 연료 기반 숙신산 산업을 대체 할 수 있는 고생산성 바이오 숙신산 생산 기술 개발은 전 세계 숙신산 산업을 환경 친화적이고 효율적인 산업으로 전환할 수 있는 기반 핵심 기술이다.
ㅇ 이에 KAIST 김지연 박사과정과 이종언 박사를 포함하는 (지도교수 이상엽 특훈교수) 연구팀은 마그네슘 수송 시스템 최적화를 통한 미생물 기반 고효율 숙신산 생산 기술 개발 연구를 수행했다.
□ 연구 내용
ㅇ 이번 연구에서는 한우의 반추위로부터 분리한 토종 미생물인 맨하이마아의 대사회로를 체계적으로 조작하여 대량의 숙신산을 세계 최고의 생산성으로 생산하는 데 성공하였다.
ㅇ 본 연구에서는 숙신산을 효율적으로 생산하기 위해 다양한 알칼리성 중화제가 숙신산 생산에 미치는 영향을 파악하고, 최적화된 중화제를 선정하였다. 특히 마그네슘이 세포 성장과 숙신산 생산에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인하였으며, Salmonella enterica에서 유래한 고효율 마그네슘 수송체를 도입하여 시스템을 최적화한 결과 152.23 g/L의 숙신산을 생산했으며, 최대 생산성은 39.64 g/L/h를 달성하였다. 이는 현재까지 미생물 기반으로 생산된 바이오 숙신산 생산성을 월등히 뛰어넘는 수준으로써 앞으로 미생물 기반 바이오 숙신산 생산의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것이다.
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(KAIST) 등록 2024.09.13