이상엽 카이스트 교수, 시스템 대사공학 전략 종합 수립

[사진=미래부 제공]

아주경제 최서윤 기자 = 이상엽 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 특훈 교수팀이 산업적으로 유용한 화학물질을 석유화학공정이 아닌 미생물로부터 대량 생산하는 데 필수적인 시스템 대사공학 전략을 종합적으로 수립했다고 미래창조과학부가 28일 밝혔다. 이번 연구 결과는 기후 변화 및 한정자원 문제 해결에 도움을 줄 것으로 보인다.

시스템 대사공학(Systems Metabolic Engineering)은 미생물의 대사 회로를 인위적으로 제어해 바이오연료와 바이오화학물질의 대량생산을 가능하게 하는 기술을 말한다.

인류에게 유용한 화합물들은 대부분 석유화학공정을 기반으로 생산돼 왔다. 그러나 기후변화를 포함한 환경문제들과 한정자원인 화석원료에 의존율이 높은 현 산업시스템은 인류와 지구의 지속가능성에 큰 문제를 야기했다. 이런 환경문제에 대한 국제사회의 인식 아래 한정자원이 아닌 자연적으로 재생되는 비식용 바이오매스(해식물이나 조류 등의 에너지원)로부터 산업 화학물질들을 생산하는 바이오리파이너리(biorefinery)는 전 세계 화학산업계의 가장 중요한 일로 추진되고 있다.

지난 20여 년간 대사공학 분야를 개척해 온 이 교수는 기존에 진행된 대사공학 연구들을 체계적으로 수집·분석해 산업 화학물질을 미생물로부터 효과적으로 만들 수 있는 시스템 대사공학 전략을 종합적으로 수립‧제시했다.

이번 연구에서는 시스템 대사공학의 목표인 ‘인류에게 유용한 다양한 화합물의 친환경적 대량생산’을 실현시키기 위해 열 가지 단계별 전략을 제시했다. 열 가지 전략에서는 생산하고자 하는 화학물질물의 경제성 평가와 함께 미생물의 유전자 조작 및 배양 시 고려사항을 심도 있게 다루고 있다.
 

시스템 대사공학 전략의 전체적인 개념. 크게 균주개발, 발효, 분리 및 정제로 나뉜다. 균주개발 그림에서 붉은색 화살표는 유전자 클로닝을 통한 유전자 발현증폭을, 푸른색 점선은 하향조절(downregulation)을, 푸른색 점선에 'X' 표시가 있는 것은 유전자 결실을 뜻한다. [자료=미래부 제공]

이 교수는 “세계 여러 연구진들이 산업미생물 제작에 뛰어들고 있지만 기존 석유화학공정을 통해 생산되는 화합물 중 산업미생물 기반 생산으로 대체되는 비율은 극히 일부에 불과하다”며 “상용화에 적합한 수준의 성능을 가지는 미생물과 관련 공정을 개발하는 데는 수백억 원에서 수천억 원까지의 큰 비용이 들었는데 이번 시스템 대사공학 전략을 활용해 그 비용을 획기적으로 낮출 수 있다”고 설명했다.

그는 “더욱 많은 석유화학공정 유래의 화학물질들이 재생가능한 원료와 산업미생물을 활용해 생산될 것으로 기대한다”고 말했다.

백일섭 미래부 원천기술과장은 “이번 연구에서 제시한 시스템 대사공학 전략은 미래창조과학부가 기후변화 대응을 위해 추진하는 ‘탄소자원화 전략’의 핵심기술 중의 하나이며 이러한 성과들을 산·학·연이 공유하고 상용화해 나갈 수 있도록 지원해 나갈 계획”이라고 말했다.

이 교수와 김현욱 박사가 함께 집필한 이번 연구는 미래부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’와 ‘지능형합성생물학 글로벌프론티어사업단’의 융합 연구를 통해 추진됐다. 연구 결과는 생명공학 분야의 최고 권위지인 네이쳐 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology) 10월호 온라인판에 실렸다.