기후위기와 화석연료 고갈에 대응할 수 있는 미생물 세포공장은 재생가능한 자원을 활용해 친환경적 화학물질 생산 플랫폼으로 각광받고 있다.

아울러 미생물을 개량하기 위한 대사공학은 이런 세포공장 생산 효율을 극대화하는 핵심 도구로 자리 잡고 있다. 

그러나 미생물 세포공장을 구축하기 위해 필요한 균주 선정의 어려움과 복잡한 대사경로 최적화 등은 실질적인 공정 적용에 큰 장애물로 작용한다.

이에 기존 연구는 방대한 생물실험과 정교한 검증으로 수많은 미생물 균주 중 최적 균주를 선정하고 효율적 대사공학 전략을 도출하려 했지만, 이 과정에서 막대한 시간 및 비용이 소요돼 어려움을 겪고 있다.

화학물질 만드는 친환경 세포공장 설계도 완성

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀이 가상 세포를 이용해 산업용 미생물 세포공장 생산능력을 종합 평가하고, 이를 토대로 특정 화학물질 생산에 가장 적합한 미생물 균주 선정과 최적 대사공학 전략을 제시했다.

연구팀은 미생물 5종에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 산업에 가장 많이 쓰이는 바이오연료, 플라스틱 등의 원료가 되는 235가지 화학물질을 친환경적으로 생산하는데 성공했다.

최근 미생물 전체 유전체 정보를 바탕으로 유기체 내 대사 네트워크를 재구성한 유전체 수준의 대사모델을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션으로 대사흐름을 체계적으로 분석할 수 있게 됐다. 이에 따라 기존 생물실험 한계를 극복하고 최적 균주 선정 및 대사경로 설계문제를 혁신적으로 접근할 수 있는 새로운 가능성이 제시되고 있다. 

이에 연구팀은 대장균, 효모, 고초균, 코리네박테리움 글루타미쿰, 슈도모나스 푸티다 등 대표적 산업 미생물 5종의 화학물질 생산 능력을 235가지 유용 물질을 대상으로 종합 평가했다. 

연구팀은 유전체 수준 대사모델을 이용, 이들 미생물이 생산할 수 있는 화학물질의 최대 이론 수율과 실제 공정에서 달성 가능한 최대 수율을 계산해 각 화학물질 생산에 최적인 균주를 선정할 수 있는 기준을 마련했다.

특히 타 생물에서 유래한 효소반응을 미생물에 도입하거나, 미생물이 사용하는 보조인자를 교환해 대사 경로를 확장하는 전략을 제안했다. 

이를 통해 연구팀은 기존 미생물의 선천적 대사능력을 초과하는 수율 향상이 가능함을 확인했다.

실제 메발론산, 프로판올, 지방산, 아이소프레노이드 등 산업적으로 중요한 화학물질의 생산 수율이 증가했다. 

또 연구팀은 가상세포 내 대사흐름 분석 기법을 사용해 각 화학물질 생산을 극대화하기 위해 필요한 균주 개량전략을 제시했다.

특정 효소 반응과 목표 화학물질 생산의 상관관계, 효소반응과 대사물질 간 관계를 정량 분석해 상향 또는 하향 조절할 효소반응을 도출했다.

이 결과 단순히 높아진 이론적 수율뿐 아니라 실제 생산능력을 극대화할 수 있는 구체적 전략을 제시했다.  

이번 연구논문의 제 1저자인 KAIST 김기배 박사는 “타 생물에서 유래한 대사경로의 도입과 보조인자 교환전략을 활용하면 기존 한계를 뛰어넘는 새로운 미생물 세포공장을 설계할 수 있다”며 “이번 연구에서 제공하는 전략은 미생물 기반 생산 공정을 더욱 경제적이고 효율적으로 발전시키는데 핵심적인 역할을 할 것”이라고 설명했다.

이 특훈교수는 “이번 연구는 시스템 대사공학 분야에서 미생물균주 선정과 대사경로 설계단계에서 어려움을 줄이고, 보다 효율적인 미생물 세포공장 개발을 위한 핵심 참고자료가 될 것”이라며 “향후 바이오연료, 바이오플라스틱, 기능성 식품소재 등 다양한 친환경 화학물질 생산기술 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다” 고 밝혔다.  

한편 이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 지난달 24일자에 게재됐다.
(논문명 : 미생물 세포 공장의 역량에 대한 종합적 평가, Comprehensive evaluation of the capacities of microbial cell factories)