이혜원(오른쪽) 한국생명공학연구원 박사가 바이오파운드리 워크플로를 활용한 실험결과를 확인하고 있다. [한국생명공학연구원 제공]

바이오파운드리는 많은 생물학적 데이터를 빠르고 쉽게 모으게 해주며, 이를 인공지능(AI)과 연결하는 혁신 기술로 발전하고 있다.

한국생명공학연구원은 이승구·이혜원 국가바이오파운드리사업단 박사 연구팀이 산업적 활용이 가능한 바이오파운드리 자동화 실험 체계(워크플로)를 구축하고, 이를 통해 메탄을 친환경 바이오소재로 전환하는 가능성을 실증하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.

메탄은 대기 중 농도가 빠르게 증가하고 있는 대표적인 온실가스다. 이산화탄소보다 84배 이상 강력한 온실효과를 일으키지만, 이를 줄일 수 있는 자연적 흡수 경로는 매우 제한적이다.

이번 성과는 친환경 바이오소재 생산을 위한 바이오촉매와 인공미생물 개발 기간을 단축하고, 축적된 데이터를 AI 설계·분석에 활용할 수 있다는 점에서 의미가 크다.

연구팀은 먼저 확장형 반자동화 워크플로를 구축했다. 이 시스템은 레고 블록처럼 필요에 따라 간단하면서도 유연하게 수천 건 이상의 대규모 실험으로도 확장할 수 있다.

또 단백질 설계 기술과 자동화 기술을 결합해 수백 종의 단백질 변이체를 빠르게 제작하고 평가하는 방법도 개발했다.

샘플 준비, 유전자 조립, 미생물 도입 등 핵심 과정을 자동화 장비로 처리한 결과, 실험 속도가 단계에 따라 최소 4배에서 36배까지 빨라졌다. 같은 시간에 수행할 수 있는 실험 건수도 대폭 늘어나 연구 효율성이 획기적으로 향상됐다. 특히 이번 연구는 이소프렌 합성 효소 개선에 적용됐다. 이소프렌은 타이어, 접착제, 연료첨가제 등 전 세계 산업에서 널리 쓰이는 핵심 원료다. 그러나, 기존의 효소는 제대로 발현되지 않거나 활성이 낮아 산업적으로 활용하기에 큰 제약이 있었다.

연구팀은 바이오파운드리 워크플로를 활용해 효소의 성능을 대폭 향상시켰다. 그 결과 효소의 반응 효율이 최대 4.5배 높아지고 열에 대한 안정성도 향상됐다.

이렇게 개량된 효소를 메탄자화균에 도입하자 온실가스 메탄을 이소프렌으로 바꾸는 생산성이 크게 향상됐다. 이는 ‘온실가스 저감’과 ‘화학원료 자급’이라는 두 가지 산업적 과제를 동시에 해결할 수 있는 실질적인 기술 해법으로 평가된다.

이승구 박사는 “앞으로 축적될 고품질 데이터는 AI 설계와 학습을 더욱 정밀하게 만들어 바이오제조의 디지털 전환을 가속할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘트렌드 인 바이오테크놀로지(Trends in Biotechnology)’에 지난달 12일 게재됐다. 구본혁 기자