광범위한 환경오염을 유발하는 화석연료를 대체할 친환경 기반 화학물질 생산기술 개발 필요성이 증대되는 가운데 KAIST에서 화학공정이 아닌 시스템 대사공학으로 플라스틱 원료, 식의약품 합성 등에 필요한 중요 화학물질 ‘숙신산’을 세계 최고 수준으로 생산하는 기술을 개발했다.
숙신산은 다양한 화학물질의 핵심 전구체로, 화학, 식품, 제약업계에서 널리 활용된다.
때문에 기존 화석연료 기반 숙신산 산업을 대체 할 수 있는 고생산성 바이오 숙신산 생산기술에 대한 연구가 세계적으로 진행 중이다.
바이오리파이너리는 바이오매스 원료에서 생물공학적·화학적 기술로 화학제품이나 바이오연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 연구분야다. 이중 특히 시스템 대사공학은 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작해 바이오매스 원료에서 산업 화학물질 생산율을 최대로 올리는 핵심기술이다.
친환경 숙신산 대량생산 길 열다
KAIST 생명화학공학과 김지연 박사과정, 이종언 박사가 참여한 이상엽 특훈교수 연구팀이 한우 반추위에서 분리한 미생물 ‘맨하이미아’의 대사회로를 조작하고 마그네슘 수송시스템을 최적화해 세계 최고 수준의 생산성을 갖는 숙신산 생산 기술을 개발했다.
연구팀은 미생물 발효과정 중 산도조절에 사용하는 다양한 알칼리성 중화제가 숙신산 생산에 미치는 영향을 파악해 최적의 중화제를 선별했다.
이중 수산화마그네슘이 포함된 중화제에서 마그네슘이 미치는 생리학적 영향을 분석해 세포 성장과 숙신산 생산에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다.
또 맨하이미아에 포함된 마그네슘 수송체 ‘corA 유전자’를 규명함으로써 다양한 마그네슘 수송체를 도입해 수송능력을 높였다.
특히 살모넬라 엔테리카균에서 유래한 고효율 마그네슘 수송체로 시스템을 최적화한 결과 숙신산 152.23g/ℓ를 생산, 최대 생산성 39.64 g/ℓ/h를 달성했다.
이는 기존 생산성 대비 두 배나 높은 것으로, 현재까지 보고된 숙신산 생산성 중 세계 최고 기록이며, 기록을 계속 경신 중이다.
이번 연구논문의 논문의 공동 제1 저자인 김지연 박사과정은 “마그네슘 수송시스템을 최적화해 고농도의 숙신산을 생산했다는 점에 큰 의미를 가지면 향후 미생물 기반 바이오 숙신산 생산 상용화에 큰 기여를 할 것”이라며 “아울러 이 기술이 향후 중요한 화학물질들을 생물학적으로 생산하는 미생물 균주 개발전략에 활용될 것”이라고 설명했다.
이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 숙신산 생산의 새로운 표준을 제시한 것ㅇ로, 생물기반 화학물질의 경제성을 크게 높일 수 있는 잠재력을 갖고 지속가능한 바이오화학산업 발전에 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구결과는 국제학술지 `미국 국립과학원회보(PNAS)' 9월 6일자로 게재됐다.(논문명 : High-level succinic acid production by overexpressing a magnesium transporter in Mannheimia succiniciproducens)
