바이오매스로 의약품 재료 생산하는 '미생물 공장'

이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수 연구팀

이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수 연구팀이 바이오매스를 아미노화합물을 바꾸는 대장균 균주를 개발했다. 사진은 연구에 참여한 이 특훈교수(왼쪽)와 채동언 KAIST 생명화학공학과 연구원(오른쪽). KAIST 제공 

국내 연구팀이 대장균을 이용해 목재 폐기물을 석유 자원에서 주로 얻어오던 의약품과 농약 원료로 바꾸는 방법을 개발했다. 

이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수 연구팀은 비식용 바이오매스를 길이가 짧은 여러 아미노화합물로 바꾸는 대장균 균주를 개발했다고 11일 밝혔다. 이 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스 인터넷판 1월 8일자에 실렸다.

석유를 이용하면 우리 생활에 필요한 여러 화학물질을 만들 수 있다. 하지만 석유는 매장량이 한정돼 있고 공정 과정에서 여러 환경 오염 물질을 배출한다. 이를 해결하기 위한 방법 중 하나가 미생물의 대사 회로를 조작해 목재 폐기물 같은 비식용 바이오매스를 화학물질로 바꾸는 ‘바이오 리파이너리’ 기술이다. 이 기술을 이용해 화학물질을 생산하는 사례가 늘고 있지만 아직 의약품과 농약품의 재료 물질인 짧은 탄소 길이를 가진 아미노화합물을 만들어낸 적은 없었다. 아미노화합물을 만들어내는 미생물 균주의 대사 회로를 몰랐기 때문이다.

연구팀은 ‘역 생합성 시뮬레이션’을 이용해 아미노화합물을 만들 수 있는 대사경로를 예측하고 이중 가장 유망한 대사 회로를 선정했다. 역 생합성 시뮬레이션은 특정 화합물을 만들 수 있는 대사경로를 알아내기 위해 목표 화학물질을 만들어내는 전구체와 효소 반응을 예측하는 과정이다. 연구팀은 역생합성 시뮬레이션을 통해 수많은 전구체와 효소 후보를 찾은 후 아미노화합물을 만들어낼 가능성이 높은 후보를 선별할 수 있는 절차를 구축해 갯수를 대폭 줄였다.

이렇게 찾은 대사회로를 실험을 통해 검증했고 이를 통해 짧은 탄소 길이를 가진 아미노화합물 10종류를 만들 수 있는 대장균 균주를 만들었다.

또 폐목재, 잡초 등 지구에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당을 단일 탄소원으로 이용해 아미노화합물을 생산할 수 있다는 사실과 공학적인 기술을 이용해 생산 효율도 높일 수 있다는 사실도 확인했다. 

연구를 이끈 이 특훈교수는 "석유화학 산업 기반으로만 생산할 수 있었던 짧은 탄소 길이를 가진 아미노화합물을 바이오 기반 화학산업을 통해 생산할 수 있는 가능성을 세계 최초로 제시했다"며 "앞으로 더 많은 연구를 통해 생산량과 생산성을 증대시킬 계획"이라고 말했다. 

이번 연구는 과기정통부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 '바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제'의 지원을 받아 수행됐다.

[김우현 기자 mnchoo@donga.com]