- 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀, 시스템 대사공학을 이용해 고효율 방향족 폴리에스터 생산 대장균 균주 개발

 - 기존 화석 연료 기반 플라스틱을 대체할 수 있는 친환경적인 방향족 폴리에스터의 다양한 증산 전략 제시 및 세계 최고 농도 생산 

▲(왼쪽부터) 생명화학공학과 이상엽 특훈교수, 이영준 박사 (공동 제1 저자), 강민주 석사과정생 (공동 제1 저자)

▲[그림 1] 방향족 폴리에스터 생산 미생물 개발 전략 

▲그림 2] 방향족 폴리에스터 생산 미생물 개발 전략 상세

여러 친환경 고분자 중에서도 폴리하이드록시알카노에이트(이하 PHA)는 생분해성과 생체 적합성이 뛰어나 토양이나 해양 환경에서도 생분해되며, 식품 포장재나 의료용품 등에 사용되고 있다. 하지만 지금까지 생산된 천연 PHA(natural PHA)는 내구성, 열적 안정성 등 다양한 물성을 충족시키기 어렵고, 생산 농도가 낮아 상업적으로 활용하는 데 한계가 있었다. KAIST 연구진이 플라스틱으로 인한 환경오염 문제 해결에 중요한 기술을 개발해 화제다.

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 이영준 박사와 강민주 석사과정생을 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 `방향족 폴리에스터(방향족 화합물(벤젠과 같은 특별한 형태의 탄소 고리 구조)을 포함하고 에스터 결합을 가지고 있는 고분자)를 고효율로 생산하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 26일 밝혔다.

이번 연구에서는 대사공학을 이용해 대장균 내 방향족 단량체인 페닐 젖산(phenyllactate, PhLA) 생합성 회로의 대사 흐름을 강화하고 대사 회로를 조작해 세포 내부에 축적된 고분자의 분율을 높였으며, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 PHA 합성 효소의 구조를 예측하고 구조와 기능의 상관관계를 바탕으로 효소를 개량했다. 

연구팀은 이후 발효 최적화를 통해 세계 최고 농도(12.3±0.1 g/L)로 폴리(PhLA)를 고효율로 생산하고 30L 규모의 유가식 발효로 성공적으로 폴리에스터를 생산해 산업화 수준 생산의 가능성도 보였다. 생산된 방향족 폴리에스터들은 추후 약물 전달체로서의 가능성과 더불어 향상된 열적 물성, 상업화되고 개선된 기계적 물성을 보여주었다.

연구팀은 비천연 PHA 생산에서 외래 파신(phasin) 단백질이 경제성, 효율성과 직결되는 세포 내 고분자 축적분율 증가에 중요한 역할을 한다는 것을 입증하고 PHA 합성 효소를 합리적 효소 설계 방법으로 개량했다. 효소의 삼차원 입체 구조를 호몰로지 모델링(비슷한 단백질의 구조를 바탕으로 새로운 단백질의 삼차원 입체 구조를 예측하는 방법)을 통해 예측하고, 이를 분자 도킹 시뮬레이션(단량체가 효소에 잘 결합할 수 있는지 예측하는 시뮬레이션)과 분자 동역학 시뮬레이션(분자들이 시간에 따라 어떻게 움직이고 상호작용하는지 예측하는 시뮬레이션)을 이용해 단량체의 중합 효율이 향상된 변이 효소로 개량했다. 

이번 논문의 공동 제1 저자인 이영준 박사는 “친환경적인 원료와 방법으로 미생물 기반의 방향족 폴리에스터를 세계 최고 농도로 생산했다는 점에 의의가 있다”며 “이 기술이 플라스틱으로 인한 환경 오염 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한 이상엽 특훈교수는 “시스템 대사공학을 이용해 유용한 고분자를 고효율로 생산하기 위해 다양한 전략을 제시한 이번 연구가 기후 변화 문제와 특히 최근 플라스틱 문제의 해결에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

해당 연구 결과는 국제 학술지인 셀(Cell) 誌가 발행하는 `생물공학 동향(Trends in Biotechnology)'에 8월 21일에 게재됐다.

※ 논문명 : Microbial production of an aromatic homopolyester 

※ 저자 정보 : 이영준(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 강민주 (한국과학기술원, 공동 제1 저자), 장우대(한국과학기술원, 제2 저자), 최소영(한국과학기술원, 제3 저자), 양정은(한국과학기술원, 제4 저자), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 6명

한편 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유 대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제 (과제 책임자 KAIST 이상엽 특훈교수)와 ‘미생물 세포공장 기반 신규 방향족 바이오플라스틱의 원스텝-원팟 생산 원천기술 개발 과제 (과제 책임자 이화여대 박시재 교수)’의 지원을 받아 수행됐다. 

▲[그림 1] 방향족 폴리에스터 생산 미생물 개발 전략 

▲그림 2] 방향족 폴리에스터 생산 미생물 개발 전략 상세

용어설명

1. 시스템 대사공학 (Systems metabolic engineering)

  ○ 산업적으로 경쟁력 있는 미생물 균주를 효과적으로 개발하기 위해 전통적인 대사공학에 합성생물학, 시스템 생물학, 진화 공학 등을 접목해 체계적이고 대용량 처리가 가능하도록 발전시킨 학문으로 KAIST 이상엽 특훈 교수가 창시하였다. 대사 물질 생산경로의 체계적 조작을 통해 목적 대사 물질의 생산을 최적화하는 기술을 의미한다. 대사공학은 생산경로 유전자의 과발현, 경쟁 경로 유전자의 제거, 또는 외래 유전자의 도입 등을 통해 미생물이 가지고 있는 고유의 대사 경로를 변형시킴으로써, 원하는 산물의 생산을 극대화하고자 하며, 이 과정에서 컴퓨터 모델링을 비롯한 다양한 공학 도구들이 사용된다. 미생물을 이용해 생산 가능한 다양한 화학물질들은 에너지, 식품, 의약, 화장품, 화학산업 등에 널리 활용되고 있다.

2. 폴리하이드록시알카노에이트 (Polyhydroxyalkanoate) [PHA]

  ○ PHA는 미생물이 합성하는 천연 고분자(폴리에스터)로 세포 내부에 작은 입자(granule) 형태로 축적된다. PHA는 생분해성과 생체 적합성이 뛰어나 토양이나 해양 환경에서도 생분해되며, 식품 포장재나 의료용품 등에 사용되고 있다. 미생물 발효를 통해 바이오매스로부터 만들 수 있어 친환경적인 생산도 가능해 화석 연료 기반 고분자의 대체제로서 각광받고 있으며 그 수요와 시장 규모는 빠르게 증가하는 추세이다. 

3. 파신 (Phasin)

  ○ PHA 생산과 관련된 단백질로 작은 입자(granule) 형태의 PHA 표면에서 세포질 환경과 상호작용하면서 고분자 축적, granule 수 및 크기 조절에 관여한다. 또한 미생물의 성장 조절, 스트레스 보호 등 다양한 기능을 갖고 있다.

4. 합리적 효소 설계 (Rational enzyme engineering)

  ○ 효소의 작용 메커니즘에 대한 상세한 지식을 바탕으로 효소의 기능을 개선하거나 변경하기 위해 효소를 설계하는 과정이다. 이는 효소가 기질과 어떻게 결합하고 반응을 촉매하는지 등의 작용을 이해함으로써 이루어진다. 단백질 구조와 기능 간의 관계를 이해하여 효소의 기능을 변경하거나 성능을 높이기 위한 잠재적인 돌연변이를 예측하고, 그 결과를 확인하며 효소를 개량해 나가는 방식이다.