KAIST, 눈 건강 성분 '루테인' 고효율 대량생산 가능케 해

미생물 기반 루테인 생산 플랫폼 모식도

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이상엽 생명화학공학과 특훈교수팀이 대량 생산이 가능한 미생물 대사공학 기반 친환경·고효율 루테인 생산 플랫폼을 개발했다고 13일 밝혔다.

이 교수 교원창업기업인 실리코바이오를 통해 기술사업화도 추진할 예정이다.

기존 미생물 대사공학을 이용한 루테인 생산 연구에서는 부산물 생성이 많고 루테인 축적량이 제한됐다. 이는 루테인 합성 대사경로에서 특정 병목 단계가 존재해 대사 흐름이 원활하게 진행되지 못했기 때문으로 분석됐다.

이번 연구에서는 주요 병목으로 작용하는 대사반응을 개선하기 위해 전자 채널링 전략을 도입했다.

전자 채널링은 특정 효소 반응이 빠르고 효율적으로 일어나게 하고자, 전자가 효율적으로 이동하도록 경로를 제어하는 기술이다.

루테인을 만드는데 필요한 효소들을 최적화된 단백질 구조(스캐폴드) 시스템에 가깝게 배열해, 효소 주변 재료(기질)와 전자 농도를 높여 루테인 합성 대사 흐름을 효과적으로 증대시켰다.

또 연구팀은 설탕처럼 흔한 포도당을 활용해 고효율로 루테인을 생산할 수 있는 미생물 플랫폼을 구축했으며, 이는 바이오매스 주 원료인 포도당으로부터 친환경적인 바이오 기반 루테인 생산 가능성을 제시하는 중요한 성과로 평가된다.

이에 54시간 만에 1.78g/ℓ 루테인 생산에 성공했다. 이는 시간당 32.88㎎/ℓ 생산성 수준이다. 식물이나 미세조류에서 루테인을 추출하는 기존 방식보다 훨씬 빠르고 효율적인 생산방법으로 산업적 의미가 크다.

사진 왼쪽부터 은현민 박사과정, 이상엽 특훈교수, 신디 박사

이번 연구에서 산업적 활용도가 높고 안전균주(GRAS)로 분류되는 '코리네박테리움 글루타미쿰'을 새로운 생산 호스트로 활용했다. 이 균주를 기반으로 루테인 생합성 경로를 최적화하고, 전자전달 병목을 해결하기 위해 막결합형 P450 효소의 개량, 그리고 전자 채널링 스캐폴드 시스템을 도입해 생산성을 획기적으로 향상시켰다.

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.

이번 연구 결과는 생명화학공학과 은현민 박사과정생과 신디 박사가 공동 제1 저자로 국제 학술지 '네이처 신시시스(Nature Synthesis)'에 지난 4일 자로 게재됐다.

이번 연구는 KAIST 이상엽 특훈교수 연구팀에 의해 과학기술정보통신부가 지원하는 기후환경연구개발사업의 '바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 과제'의 지원을 받아 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com