KAIST, 미생물 안전균주로 고효율 루테인 대량 생산 가능

이상엽 특훈교수 연구팀 시간당 32.88mg/L 루테인 생산
기존 식물이나 미세조류서 추출 방식보다 빠르고 효율적

왼쪽부터 한국과학기술원 생명화학공학과 은현민 박사과정, 이상엽 특훈교수, 신디 박사. 한국과학기술원 제공

한국과학기술원(KAIST) 연구진이 노안 및 백내장 예방에 효과가 있는 성분 '루테인'을 대량 생산하는 미생물 균주 개발에 성공했다고 13일 밝혔다.

KAIST에 따르면 이상엽 생명화학공학과 특훈교수 연구팀은 기존 기술이 가진 대장균의 내독소 문제를 해결하고 동시에 대량 생산이 가능한 미생물 대사공학 기반 생산 플랫폼을 개발했다. 앞서 연구팀은 지난 2022년 전자 채널링 기술을 적용한 대장균으로 루테인을 세계 최초로 생산하는 데 성공한 바 있다.

해당 기술은 ㈜실리코바이오(이상엽 특훈교수 교원창업기업)와 기술사업화를 추진할 계획이다.

기존 미생물 대사공학을 이용한 루테인 생산 연구는 부산물 생성이 많고 루테인 축적량이 제한됐다. 이는 루테인 합성 대사경로에서 특정 병목 단계가 있어 대사 흐름이 원활하게 진행되지 못했기 때문이다.

연구팀은 루테인 생산 경로에서 병목으로 작용하는 대사반응을 개선하기 위해 전자 채널링 전략을 도입, 필요한 효소들을 최적화된 단백질 구조 시스템에 가깝게 배열함으로써 효소 주변 재료와 전자의 농도를 높여 루테인 합성 대사 흐름을 효과적으로 증대시켰다.

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

실제로 연구팀은 해당 균주를 이용해 54시간 만에 1.78g/L의 루테인을 생산하는 데 성공했다. 이는 시간당 32.88mg/L을 생산하는 것으로 기존 식물이나 미세조류에서 루테인을 추출하는 방식보다 훨씬 빠르고 효율적이라는 설명이다.

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.

이번 연구 결과는 KAIST 생명화학공학과 은현민 박사과정생과 신디 박사를 공동 제1저자로 국제학술지 '네이처 신시시스(Nature Synthesis)'에 지난 4일 자로 게재됐다.

미생물 기반 루테인 생산 플랫폼 모식도. 한국과학기술원 제공