과학기술부는 KAIST 생명화학공학과 및 바이오융합연구소 이상엽(李相燁, 43세, 특훈교수/LG화학 석좌교수) 교수팀이 시스템 대사공학 전략을 개발,높은 효율의 쓰레오닌 (L-threonine; 아미노산의 한 종류)을 생산하는 대장균 개발에 성공했다고 14일 밝혔다.

유가가 고공 행진을 계속하고 지구 온난화 등 환경문제가 심각해짐에 따라 재생 가능한 원료로부터 바이오매스에너지를 생산하는 산업 바이오텍이 전 세계적으로 큰 관심을 끌고 있다.

하지만 산업 바이오텍에 이용되는 미생물들은 자연계에서 직접 분리하여 사용하면 효율이 매우 낮아 실제 상용화가 불가능하므로, ‘대사공학’을 통한 미생물의 성능 개량 작업을 이용하여 그 효율을 높이는 것이 필수적이다.

이번에 연구결과를 발표한 이상엽 교수팀은 이제까지 미생물의 일부만을 조작하던 전통적인 대사공학 기법을 한 단계 높여, 최근 급격히 발전하고 있는 시스템 생물학 관련 기법들을 대사공학에 접목하여 미생물 전체를 체계적으로 조작하여 성능을 극대화 하는 전략을 개발하였다.

현재 식품, 의료 분야에서 널리 활용되는 아미노산을 생산하는 미생물은 오랜 기간에 걸친 무작위 돌연변이화 기법, 또는 전통 대사공학 기법에 의해 만들어지고 있다. 그래서 높은 효율에도 불구하고 원치 않는 돌연 변이가 발생하기도 하고, 그 규명에 많은 비용과 시간이 들뿐만 아니라, 환경이 변화될 때 추가적인 미생물 개량이 매우 어려워 경쟁력이 낮은 편이었다.

그러나 이 교수팀은 이번 연구를 통하여 기존의 무작위 돌연변이화 기법을 배제하고, 시스템 생물학 기법을 전통 대사공학에 접목하여 시스템 대사 공학 전략을 새롭게 개발하였으며, 이를 통해 미생물 내 대사 최적화를 이룰 수 있었다.

이 기법을 통해 단기간에 고효율의 생산 미생물 제작과 미생물의 생리 상태에 적합한 수준의 맞춤식 대사흐름 조절이 가능해졌는데, 이 교수팀은이를 인간의 장내 미생물인 대장균에 적용하여 쓰레오닌을 높은 농도와 효율로 생산하는 대장균의 개발에 성공하였고, 또한 가상세포에 기반한 시스템 대사공학 기법을 실제 산업화에 적용하여 우수한 미생물을 개발 할 수 있었다. 이 교수팀의 연구는 무엇보다도 100% 합리적인 엔지니어링으로 미생물을 개발할 수 있게 되어, 추가 성능 향상이 필요할 경우 그 작업을 효율적으로 행할 수 있는 가능성을 열었다는 점에서 큰 의미가 있다.

이상엽 교수는 “본 연구는 균주와 발효공정 개발에 많은 경험을 가진 우리 연구실의 이광호박사, 오믹스 적용 미생물 개발의 전문가인 박진환 박사, 가상세포 개발 및 응용의 전문가인 김태용 박사 과정생이 함께 연구했기에 가능했던 융합연구의 결실이고, 시스템 대사공학 이라는 첨단 생명공학 전략을 개발하고 그 기술의 우수성을 실제 미생물과 생산 공정 개발을 통해 증명함에 따라, 다른 아미노산을 비롯하여 모든 생명공학 제품의 개발에도 크게 이바지할 것으로 생각한다”고 말했다.

연구 관련 생산 균주와 그 제조 방법은 국제특허(PCT)가 출원 중이며 관련 연구성과는 실제 산업적으로 유용한 엔지니어링 논문으로는 드물게 네이처 자매지인 분자시스템생물학(Molecular Systems Biology)지에 게재되었다.