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제목 미세조류에서 숙신산을 생산할 수 있는 박테리아 세계 최초 개발(우한민 박사, KIST)
작성자 KCRC 등록일 2015-01-22 조회수 5824

 

미세조류에서 바이오 플라스틱 원료인 숙신산을
 
직접 생산할 수 있는 박테리아 세계 최초개발

 
□  주요 내용
o 유전자 재조합 박테리아를 이용하여 미세조류에서 플라스틱의 원료물질인 ‘숙신산’을 직접 생산할 수 있는 통합바이오 공정을 세계 최초로 개발
 - 이는 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 활용하여 기존의 석유화학기반의 플라스틱 제품을 대체할 수 있는 바이오화학 제품 생산 기반이 조성되었다는데 큰 의의가 있음
 - 이번 성과는 한국과학기술연구원(KIST) 우한민 박사(교신저자) 연구팀과 고려대 심상준 교수 연구팀이 도출한 것으로, 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 7월 24일자 온라인으로 게재
 
o 이번에 개발된 박테리아의 경우 미세조류 내 전분을 분해할 수 있는 아밀라아제 효소를 직접 생산하여 추가적인 당화효소 없이 고효율의 숙신산을 생산 가능
 - 미세조류는 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 보다 빠른 속도로 성장할 수 있는 단순한 화학구조로 이루어져 있어, 전처리 및 당화를 통한 바이오매스의 이용이 보다 용이한 장점을 가짐
 - 그러나 기존 숙신산과 같은 바이오화학물질 생산을 위해 활용된목질계 바이오매스는 복잡한 화학구조로 인해 전처리 및 당화 과정이 어렵고, 특히 해외독점제품인 당화효소를 사용해야 된다는 한계를 가지고 있음
    
 
o 본 연구에 사용된 박테리아는 바이오화학, 식품 등의 산업에서 아미노산, 헥산 등을 생산하는데 실제 활용되고 있는 코리네박테리움 글루타미쿰 균주(Corynebacterium glutamicum)를 개량한 것으로, 기존사업에 쉽게 적용되어 사업화될 수 있을 것으로 기대
 - 바이오플라스틱 시장이 연간 5조원까지 확대될 것으로 예상(2018년 기준, The Freedonia Group)되는 가운데 관련 기업들이 해당 시장을 점유하기 위해 주력하고 있으므로, 관련 기업으로의 기술이전 및 사업화가 가능할 것으로 기대
 - 아울러 이번 연구성과는 바이오 플라스틱 뿐만 아니라 코팅소재, 합성가소제, 우레탄, 솔벤트 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대
 
□  연구 내용
태양에너지와 이산화탄소를 이용하여 세포성장하여 바이오매스를 축적할 수 있는 미세조류로부터 다양한 화합물을 생산할 수 있는 길이 열렸다. 동시에, 대사공학적으로 미생물균주를 개량하여 최적으로 미세조류를 영양원으로 하여 숙신산 (호박산)을 생산하는 통합공정을 제시하였다. 기존의 목질계 바이오매스의 경우, 복잡한 화학구조에 기인한 고에너지소비 전처리공정과 해외 독점적 셀룰라아제(셀룰로오즈분해효소)사용에 따른 총비용이 높은데 반해, 본 연구결과는 통합공정을 통한 추가효소가 필요하지 않고, 미생물 스스로 전분분해효소를 생산하여, 기존에 발효할 수 없던 고분자 탄수화물까지 발효하여, 해당 숙신산의 수율이 2배 이상 늘릴 수 있는 결과를 획득하였다. 특히, 합성생물학 기법을 통하여, 미생물 내 유전자의 발현을 조절하고, 분비할 수 있도록 유전공학적으로 조작한 것이 균주개발의 핵심이다. 따라서, 대기 중 또는 산업체의 배가스 내 이산화탄소를 포집하고 미세조류를 통하여 이산화탄소를 전환하고, 고도화된 미생물균주를 이용하여 플라스틱의 전구체 등과 같은 고부가 화합물을 효율적으로 생산할 수 있는 미세조류-바이오리파이너리 기반 통합바이오공정을 제시하였다.
 


[그림 1] 고농도 이산화탄소배양을 통한 클라미도모나스 균주의 세포성장과  전분을 포함하는 탄수화물을 세포내에 축적하고, 간단한 전처리를 통하여, 숙신산 생산 산업균주의 세포성장 및 숙신산 생산이 가능하였다. 특히, 합성생물학과 대사공학기법을 이용하여 개발된 산업균주는 추가효소 없이, 미생물 자체적으로 분해효소를 생산, 공급하는 통합공정미생물로써, 혁신적으로 숙신산 생산 수율을 증대시킬 수 있었다.
 

[그림 2] 기본 산업균주의 개량을 통해서, 전분을 먹지 못하는 산업균주 (좌측)을 합성생물학 기법을 이용한 균주 개량을 통해서, 단시간 내에 전분을 분해, 대사할 수 있도록 개발하였으며, 이는 추가효소가 필요 없는 균주로써 통합공정의 기분 균주로 개발되었다.
 

[그림 3] 호기조건에서 숙신산을 생산할 수 있는 산업균주에 단시간 내에 전분을 분해, 대사할 수 있는 숙신산 생산 통합균주를 개발하였다. 기존의 숙신산 균주 (좌측)은 총 슈가 (Sugar, 발효당)의 50% 정도만 소비하는 데 비해, 통합숙신산 균주는 총 슈가의 90%이상을 소비할 수 있으며, 그 수율 또한 2배 이상 증가함을 보였다.
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