[사이언스] KAIST, 세계 최고 농도 글루타르산 생산 가능한 미생물 균주 개발

폴리에스터·나일론 생산 및 화학‧환경‧의료 분야 등 다양한 분야에도 활용을 기대

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2020/11/21 [14:52]

[사이언스] KAIST, 세계 최고 농도 글루타르산 생산 가능한 미생물 균주 개발

폴리에스터·나일론 생산 및 화학‧환경‧의료 분야 등 다양한 분야에도 활용을 기대

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2020/11/21 [14:52]

 

▲ 고농도의 글루타르산 생성능을 가지는 코리네박테리움 글루타미쿰의 제작을 위한 시스템 대사공학 전략 / 출처 : KAIST 이상엽 특훈교수  © 특허뉴스

 

최근 들어 기후 변화에 대한 우려가 증대되고 화석 자원에 대한 의존도가 높아지면서 재생 가능한 자원에서 화학 연료와 재료를 바이오 기반으로 생산하기 위한 관심이 증가하고 있다.

 

이러한 시기, KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 세계 최고 농도의 글루타르산 생산이 가능한 미생물 균주를 개발했다고 19일 밝혔다.

 

글루타르산은 폴리아미드, 폴리우레탄, 글루타르산 무수물, 1,5-펜탄디올의 생산을 포함한 다양한 응용 분야에 널리 사용되는 중요한 유기 화합물이다.

 

지금까지 글루타르산은 석유화학에 기반한 다양한 화학적 방법으로 생산돼왔는데, 이들은 대개 재생 불가능하고 독성이 강한 시작 물질에 의존해 친환경적이지 않다는 단점이 있다. 따라서 포도당과 같은 재생 가능한 자원에서 글루타르산을 생물학적으로 생산하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

 

다만 기존에 발표된 미생물을 이용한 글루타르산 생산 연구는 높은 글루타르산 생산 농도를 달성하는 데 한계가 존재했다. 또 균주 전체의 대사 밸런스를 고려하지 않고 알려진 표적 유전자들만을 개량했기 때문에 균주 개발에 어려움도 많았다.

 

이 교수 연구팀도 앞서 토양 세균의 일종인 수도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)’ 균주의 유전자를 대장균에 도입해 최초로 글루타르산을 생산하는 미생물 개발에 관한 연구 결과를 발표한 바 있는데 문제는 생산된 글루타르산의 농도가 매우 낮다는 점이다.

 

연구팀은 이러한 취약점 개선을 위해 그간 아미노산 생산에 주로 사용되는 세균의 일종인 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)’을 이용한 글루타르산 생산공정에 관한 연구에 주목했다. 해당 균주가 글루타르산의 전구체(전 단계의 물질)라이신130 g/L 이상 생산 가능하다는 점을 고려하면 높은 농도의 글루타르산 생산도 가능할 것으로 연구팀은 판단했다.

 

이상엽 특훈교수 연구팀은 우선 라이신을 과량 생산하는 코리네박테리움 글루타미쿰 균주에 수도모나스 푸티다균에서 유래한 외래 유전자와 코리네박테리움 글루타미쿰의 유전자로 이뤄진 생합성 경로 구축을 통해 포도당으로부터 글루타르산을 효율적으로 생산하는 데 성공했다.

 

연구팀은 특히 이번 연구 과정에서 라이신을 과량 생산하는 균주에 대한 게놈(genome), 전사체(transcriptome), 흐름체(fluxome)을 아우르는 다중 오믹스 분석을 진행해 균주의 대사 흐름에 대한 이해도를 높였다. 또 이를 통해 예측한 11개의 표적 유전자들을 프로모터 교환, 유전자 결실 및 추가 유전자 도입 등의 방법으로 조작했다.

 

또한 연구팀은 효율적인 글루타르산 생산을 위해 새로운 글루타르산 수송체 유전자를 발견했고, 해당 유전자의 발현 수준 조작과 발효 조건 최적화를 통해 포도당으로부터 세계 최고 농도(105.3 g/L, 기존 연구 대비 1.17)를 지닌 글루타르산을 생산하는 데 성공했다.

 

연구팀 관계자는 이번 연구에 적용한 시스템 대사공학 전략과 발효 공정 최적화 기술을 활용하면 글루타르산 외에도 다양한 고부가 가치 화학물질을 생산하는 미생물 세포 공정 개발도 가능하다고 내다봤다.

 

이상엽 특훈교수는 이번 연구는 시스템 대사공학을 활용해 재생 가능한 탄소원으로부터 폴리에스터와 나일론 등의 원료인 글루타르산을 친환경적으로 세계 최고 농도로 생산하는 균주를 제작했다는 점에 의미가 있다면서 향후 화학·환경·의료 분야 등 다양한 산업적 응용이 가능할 것이라고 강조했다.

 

이번 연구 결과는 국제학술지인 미국 국립과학원 회보(PNAS)’ 1116일 자에 게재됐다.

논문명은 Glutaric acid production by systems metabolic engineering of an L-lysine-overproducing Corynebacterium glutamicum 이다.

1 저자는 KAIST 박사과정 한태희 학생, 2 저자는 KAIST 박사과정 김기배 학생, 교신저자는 이상엽 교수 등 총 3명이다.

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