눈 건강 돕는 '루테인' 고효율 대량 생산

이상엽 KAIST 특훈교수팀

(왼쪽부터) 이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수, 은현민 박사과정생(제1저자), 신디 박사(공동 제1저자). KAIST 제공.

노안 및 백내장을 예방하는 효과가 있는 것으로 알려진 눈 건강 기능성 성분 ‘루테인’을 기존보다 빠르고 효율적으로 대량 생산할 수 있는 기술이 개발됐다. 

KAIST는 이상엽 생명화학공학과 특훈교수 연구팀이 루테인을 대량 생산하는 미생물 균주를 개발하고 연구결과를 국제학술지 ‘네이처 신시시스’에 지난 4일 발표했다고 13일 밝혔다. 

기존 미생물 대사공학을 이용한 루테인 생산 방식은 부산물이 많이 생성되고 루테인 축적량도 제한적인 한계가 있다. 루테인 합성 대사경로에서 병목 단계가 존재해 대사흐름이 원활하게 진행되지 못한 탓이다. 

연구팀은 루테인 생산 시 주요 병목으로 작용하는 대사반응을 개선하기 위해 ‘전자 채널링’ 전략을 도입했다. 전자 채널링은 생체 내 또는 인공 생합성 시스템 내에서 전자가 효율적으로 이동하도록 경로를 제어하는 기술이다. 특정 효소의 반응 속도 및 효율성을 높일 수 있는 기술이다.

연구팀은 전자 채널링 전략으로 루테인을 만드는 데 필요한 '막결합형 P450 효소'를 개량했다. 효소를 최적화된 단백질 구조(스캐폴드) 시스템에 가깝게 배열한 것이다. 효소 주변 기질과 전자 농도를 높여 루테인 합성 대사흐름을 효과적으로 증대할 수 있는 방법이다. 

연구팀은 시스템 대사공학 기술, 효소 최적화 배열 전략 등으로 ‘코리네박테리움 글루타미쿰’ 균주를 개발했다. 이 미생물 균주는 포도당을 단일 탄소원으로 활용해 루테인을 대량 생산할 수 있다. 

연구팀은 배양 공정을 통해 54시간 내 1.78g/L에 달하는 루테인을 생산했다. 시간당 32.88 mg/L의 생산성을 보인 것으로 식물이나 미세조류에서 루테인을 추출하는 기존 방식보다 월등히 빠르고 효율적인 루테인 생산 방식이다. 

연구를 주도한 은현민 박사과정생은 “이번 연구는 미생물 기반 루테인 생산의 병목을 해소하고 산업적으로 경쟁력 있는 친환경 공정을 확립한 사례”라며 “향후 루테인을 포함한 다양한 천연물 생산 기술의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이상엽 특훈교수는 “미생물을 활용한 대사공학 기술은 기존의 식물 기반 및 화학합성 방식을 뛰어넘는 차세대 전략으로 부상하고 있다”며 “앞으로도 고부가가치 천연물의 효율적 생산을 위한 연구를 지속하겠다”고 밝혔다. 연구팀은 교원창업기업 ‘실리코바이오’를 통해 기술사업화도 추진할 예정이다. 

<참고 자료>
doi.org/10.1038/s44160-025-00826-3

[문세영 기자 moon09@donga.com]