자연 모방한 ‘합성 미생물 생태계’로 바이오 연료 생산량 높인다

생명연, 합성 미생물 생태계 조절 기술 개발
바이오에너지·고부가 화합물 생산 기대

신종혁 한국생명공학연구원(생명연) 합성생물학연구센터 연구원 연구진은 미국 어바나-샴페인 일리노이대(UIUC)의 진용수, 루팅 교수 연구진과 공동으로 미생물 생태계에서 효모 균주 간 역할 분담을 최적화하는 기술을 개발하는 데 성공했다. 사진은 미 스크립스 연구소에서 개발한 합성 미생물./미 스크립스 연구소

국내 연구진이 미국 일리노이대와의 공동연구로 합성생물학 생태계를 이용해 보다 효율적으로 바이오 연료를 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

신종혁 한국생명공학연구원(생명연) 합성생물학연구센터 연구원 연구진은 미국 어바나-샴페인 일리노이대(UIUC)의 진용수, 루팅 교수 연구진과 공동으로 미생물 생태계에서 효모 균주 간 역할 분담을 최적화하는 기술을 개발하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.

자연계의 미생물은 홀로 존재하지 않고, 군집을 이뤄 생태계를 구축해 살아간다. 특히 미생물은 생태계 안에서 역할 분담과 상호작용을 하며 단독으로 있을 때보다 우수한 기능을 발휘한다. 이를 통해 극한 환경에서 살아남기도 하고, 단일 균주가 소비하기 어려운 탄소원을 소비하며 산업적 이용 가치를 높여주기도 한다.

미생물을 활용해 바이오 연료나 화합물을 생산하기 위해서는 이러한 자연계 미생물 생태계를 모사해 합성 미생물 생태계를 구축해야 한다. 하지만 합성 미생물 생태계 내의 미생물 간 역할을 분담하고 상호작용을 할 수 있게 하는 체계적인 설계 방법이 아직 개발되지 않아 한계가 있었다.

이에 연구진은 생태계 내의 균주 간 역할 분담을 최적화해 원하는 기능을 수행할 수 있는 합성 미생물 생태계 플랫폼을 개발했다. 연구진은 나무와 같은 목질계 바이오매스에 풍부하게 존재하는 글루코스와 자일로스를 각각 소비하는 전문 균주 9종을 제작하고, 이를 혼합해 미생물 생태계를 구축했다. 이어 구성 균주의 시작 농도를 바꿔가며 특정 당의 소비 속도를 세밀하게 조절했고, 구성 균주의 접종 시간을 조절해 에탄올로 인해 저해 받는 자일로스 발효의 효율을 최적화할 수 있는 플랫폼을 구축했다.

연구진은 효모 균주들이 서로 역할을 분담해 복합당을 보다 효율적으로 발효하는 모델도 개발했다. 자일로스가 먼저 발효되도록 바이오매스 발효 프로세스를 개선해 바이오 연료 생산량을 약 2배 이상 증가시켰다.

신종혁 연구원은 “기존의 미생물 생태계는 균주 간 역할 분담 조절의 어려움으로 인하여 산업적으로 응용되기 어려웠다”며 “이번 연구는 미생물 생태계의 산업적 적용 가능성을 제시했고, 더 나아가 합성 미생물 생태계를 이용해 바이오매스로부터 단일 균주로는 생산이 어려운 고부가 화합물을 생산하는 혁신 플랫폼이 될 것”이라고 전했다.

이번 연구에 참여한 진용수 교수는 “이제 바이오연료와 유용 물질 생산을 위한 합성생물학 기술이 단일 미생물 균주의 개량을 넘어 상보적인 대사기능을 수행하는 다수의 미생물을 동시에 개량함으로써 생물 전환 공정의 효율을 높이는 단계로 발전할 것”이라고 전망했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난달 26일 온라인 게재됐다.

참고 자료

Nature Communications(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45011-w

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