이번 연구를 수행한 KAIST 연구진. 이상엽(왼쪽부터) 특훈교수, 김지연 박사과정생, 이종언 박사.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 지구 온난화 등 심각한 환경 문제로 인해 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 기반 화학물질 생산 기술개발의 필요성이 커지고 있다. 국내 연구진이 화학공정이 아닌 시스템 대사공학을 활용하여 플라스틱의 원료와 식품, 의약품 등의 합성에 사용되는 산업 기반 화학물질인 숙신산을 세계 최고 수준으로 생산했다.

KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 마그네슘 수송 시스템을 최적화함으로써 고효율 숙신산 생산 균주를 개발했다고 11일 밝혔다.

이상엽 특훈교수 연구팀은 한우의 반추위에서 분리한 미생물인 맨하이미아(Mannheimia)의 대사회로를 조작하고 마그네슘 수송 시스템을 최적화해 세계 최고 수준의 생산성을 갖는 숙신산 생산 기술을 개발했다.

연구팀은 미생물 발효 과정 중 pH 조절을 위해 사용되는 다양한 알칼리성 중화제가 숙신산 생산에 미치는 영향을 파악하고, 최적화된 중화제를 선정했다. 특히 수산화마그네슘(Mg(OH)2)이 포함된 중화제를 사용, 마그네슘이 미치는 생리학적 영향을 분석해 세포 성장과 숙신산 생산에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다.

고효율 숙신산 생산을 위한 미생물 균주 개발 모식도.[KAIST 제공]

또한 맨하이미아 내 존재하는 마그네슘 수송체인 corA 유전자를 규명하고, 다양한 마그네슘 수송체를 도입해 마그네슘의 수송을 더욱 향상했다. 그중 살모넬라 엔테리카(Salmonella enterica) 균에서 유래한 고효율 마그네슘 수송체를 도입해 시스템을 최적화한 결과 152.23 g/L의 숙신산을 생산했으며, 최대 생산성은 39.64 g/L/h를 달성했다.

이는 기존 대비 약 2배 향상된 현재까지 보고된 세계 최고의 숙신산 생산성 수치다. 이는 생물학적 플랫폼을 통해 화학물질 생산을 극대화한 중요한 발전으로 의의를 지닌다.

김지연 박사과정생은 “마그네슘 수송 시스템을 최적화해 고농도의 숙신산을 생산했다는 점에 의의가 있다”며 “이 기술이 향후 중요한 화학물질들을 생물학적으로 생산하는 미생물 균주 개발의 전략으로 작용할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 숙신산 생산의 새로운 표준을 제시했으며 생물 기반 화학물질의 경제성을 크게 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 지속 가능한 바이오화학 산업의 발전에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국 국립과학원 회보(PNAS)’에 9월 2일 게재됐다.