KAIST, 고농도 글루타르산 생산 가능한 미생물 균주 개발
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KAIST, 고농도 글루타르산 생산 가능한 미생물 균주 개발
  • 대학지성 In & Out 기자
  • 승인 2020.11.22 18:00
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[연구성과]
- 이상엽 특훈교수팀, 친환경 바이오 기반 균주 개발
- 화학‧환경‧의료 분야 등 다양한 활용 기대

KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 세계 최고 농도의 글루타르산 생산이 가능한 미생물 균주를 개발했다고 밝혔다.

유기 화합물인 글루타르산(glutaric acid)은 무색의 고체로 사탕무나 양모의 추출물 속에 들어 있으며 폴리에스터, 나일론 등의 제조에 쓰인다. 글루타르산은 폴리아미드, 폴리우레탄, 글루타르산 무수물, 1,5-펜탄디올의 생산을 포함한 다양한 응용 분야에 널리 사용되는 중요한 유기 화합물이다.

지금까지는 다양한 화학적 방법으로 생산돼왔지만, 이들은 대개 재생 불가능하고 독성이 강한 시작 물질에 의존해 친환경적이지 않다는 단점이 있다. 현재 포도당과 같은 재생 가능한 자원에서 글루타르산을 생물학적으로 생산하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있으나 미생물을 이용하면 고농도의 글루타르산 생산에는 한계가 있다. 또 균주 전체의 대사 균형성을 고려하지 않고 알려진 표적 유전자들만을 개량하기 때문에 균주 개발에 어려움도 많았다.

▲ KAIST 생명화학 공학과 이상엽 특훈교수와 한태희 박사과정
▲ KAIST 생명화학 공학과 이상엽 특훈교수와 한태희 박사과정

이 교수 연구팀도 이번 연구에 앞서 토양 세균의 일종인 '수도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)' 균주의 유전자를 대장균에 도입해 최초로 글루타르산을 생산하는 미생물 개발에 관한 연구 결과를 발표했으나 이 때도 생산된 글루타르산의 농도는 매우 낮았다.

연구팀은 이러한 문제를 개선하기 위해 아미노산 생산에 주로 사용되는 세균의 일종인 '코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)'을 이용한 글루타르산 생산공정에 주목했다. 해당 균주가 글루타르산의 전구체(전 단계의 물질)인 라이신을 1L당 130g 이상 생산이 가능하다는 점을 고려했다.

이상엽 특훈교수팀은 라이신을 대량 생산하는 코리네박테리움 글루타미쿰 균주에 수도모나스 푸티다균에서 유래한 외래 유전자와 코리네박테리움 글루타미쿰의 유전자로 이뤄진 생합성 경로를 구축해 포도당으로부터 글루타르산을 효율적으로 생산하는 데 성공했다.

▲ 고농도의 글루타르산 생성능을 가지는 코리네박테리움 글루타미쿰의 제작을 위한 시스템 대사공학 전략
▲ 고농도의 글루타르산 생성능을 가지는 코리네박테리움 글루타미쿰의 제작을 위한 시스템 대사공학 전략

한 연구팀은 균주에 대한 게놈(genome), 전사체(transcriptome), 흐름체(fluxome)를 아우르는 다중 오믹스를 분석해 균주의 대사 흐름에 대한 이해도를 높였다. 이를 통해 예측한 11개의 표적 유전자들을 프로모터 교환, 유전자 결실 및 추가 유전자 도입 등의 방법으로 조작했다.

특히 연구팀은 효율적인 글루타르산 생산을 위해 새로운 글루타르산 수송체 유전자를 발견하고, 해당 유전자의 발현 수준 조작과 발효 조건 최적화를 통해 포도당으로부터 세계 최고 농도(105.3g/L)의 글루타르산을 생산하는 데 성공했다. 이는 기존 대비 1.17배 높은 농도다.

연구팀은 이번 연구에 적용한 시스템 대사공학 전략과 발효 공정 최적화 기술을 활용하면 글루타르산 외에도 다양한 고부가 가치 화학물질을 생산하는 미생물 세포 공정 개발도 가능하다고 내다봤다.

이상엽 특훈교수는 "이번 연구는 시스템 대사공학을 활용해 재생 가능한 탄소원으로부터 폴리에스터와 나일론 등의 원료인 글루타르산을 친환경적으로 세계 최고 농도로 생산하는 균주를 제작했다는 점에 의미가 크다"며 "향후 화학·환경·의료 분야 등 다양한 산업적 응용이 가능할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지인 미국 국립과학원 회보(PNAS)에 지난 16일자로 게재됐다.

 


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