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카이스트, 미생물 세포공장 구축 핵심전략 ‘시스템 대사공학’ 최신동향과 전략 소개
한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀은 대장균 세포 공장을 개발해 생산되는 대표 천연물들의 생합성 경로를 총망라한 ‘천연물 생산을 위한 대장균에서의 대사공학’이라는 주제의 논문을 발표했다./ⓒ카이스트

[ATN뉴스=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대장균 세포 공장을 개발해 생산되는 대표 천연물들의 생합성 경로를 총망라한 ‘천연물 생산을 위한 대장균에서의 대사공학’이라는 주제의 논문을 발표했다고 1일 밝혔다.

인류 역사에서 천연물은 식품과 의약품 등의 분야에 널리 사용되고 있는데 많은 천연물이 그 자체로 의약 물질로 쓰이거나 새로운 의약 물질 개발의 구조적인 근간이 되고 있다.

그러나 고부가가치 천연물에 대한 국제적인 수요와 시장규모는 지속적으로 증가하는 추세인 데 반해 천연자원으로부터 얻을 수 있는 양은 극히 제한적이며 완전한 화학합성은 대체로 효율이 낮고 유기 용매를 다량으로 이용하기 때문에 환경 오염과 인류 건강에 악영향을 초래할 수 있다.

이에 전 세계적으로 천연물을 친환경적이며 고효율로 생산이 가능한 미생물 세포 공장을 개발하려는 노력이 이뤄지고 있다.

이번 연구팀은 이러한 추세에 따라 천연물 생산 대장균 세포 공장 개발을 위한 주요 시스템 대사공학 전략을 효소 개량과 대사흐름 최적화, 시스템 접근법 등 3단계로 정리했으며 각 단계별로 활용이 가능한 최신 도구 및 전략을 대사공학이 나아가야 할 방향과 함께 제시했다.

특히 미생물 세포 공장 구축을 위한 핵심전략인 시스템 대사공학은 기존 석유화학산업을 대체할 바이오산업의 핵심이 되는 미생물 균주를 보다 효과적으로 개발하기 위해 KAIST 이상엽 특훈교수가 첫 제안한 연구 분야다.

대사공학(metabolic engineering)은 대사 물질의 생산경로를 조작함으로써 목적 대사물질의 생산을 최적화 하는 기술이다.

이 대사공학은 생산경로 유전자의 과발현, 경쟁경로 유전자의 제거, 또는 외래 유전자의 도입 등을 통해 미생물이 가지고 있는 고유의 대사 경로를 변형시킴으로써 원하는 산물의 생산을 극대화하며 이 과정에서 컴퓨터 모델링을 비롯한 다양한 공학 도구들이 사용된다.

시스템 대사공학(systems metabolic engineering)은 기존 대사공학적 기법과 시스템생물학, 합성생물학 및 진화공학 기법 등과의 융합을 통해 체계적으로 미생물 대사를 재설계해 목표화학물질의 대량생산을 가능하게 하는 연구이다.

그동안 이상엽 특훈교수 연구팀은 실제 시스템 대사공학 전략을 이용, 천연물·아미노산·생분해성 플라스틱·환경친화적인 플라스틱 원료와 바이오 연료 등을 생산하는 고성능 균주들을 다수 개발한 성과를 거뒀다.

이상엽 특훈교수는 “천연물 생산을 위한 대사공학 연구를 체계적으로 분석, 정리하고 또 향후 전략을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”면서 “권위가 있는 학술지에 주 논문이자 표지논문으로 게재된 이번 연구를 수행한 학생들이 자랑스럽다”고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀 소속 양동수·박선영·은현민 박사과정과 박예슬 석사과정 학생이 참여한 연구결과는 국제학술지인 셀(Cell)誌가 발행하는 생명공학 분야 권위 리뷰지인 ‘생명공학의 동향(Trends in Biotechnology)’ 7월호에 게재됐다.

이 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템 대사공학 원천기술개발 과제’ 및 노보 노디스크 재단의 지원을 받아 수행됐다.

에이티엔뉴스 이기종 기자  dair0411@gmail.com

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