▲ 고농도 메탄올에서 1.68배 빠르게 증식하는 슈퍼 균주의 내성 유전자 변이 / 미생물의 metY 유전자에 발생한 변이는, 메탄올을 대사하는 과정에서 생성되는 독성 물질인 메톡신의 생성을 억제한다. kefB 유전자에 발생한 변이는 스트레스 상황에서 불필요한 에너지 소모를 줄이고, 절약된 에너지를 성장과 스트레스 방어에 재분배하도록 한다. 이러한 두 유전자 변이가 함께 작용하면서, 슈퍼 균주는 고농도 메탄올 환경에서도 빠른 증식이 가능한 내성 체질을 갖추게 된다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

석유화학 산업을 대체할 차세대 생산 기술로 주목받는 ‘바이오 리파이너리’ 상용화에 한 걸음 더 다가섰다. 국내 연구진이 고농도 메탄올 환경에서도 빠르게 성장하는 ‘슈퍼 미생물’ 균주를 개발하며, 미생물이 메탄올을 원료로 플라스틱과 화학 소재를 생산하는 원천 기술을 확보했다.

UNIST 에너지화학공학과 김동혁 교수 연구팀은 적응형 진화 기술을 활용해 고농도 메탄올에서도 안정적으로 증식하는 C1 바이오 리파이너리용 메탄올 내성 균주를 개발하고, 해당 균주의 핵심 유전자 변이를 규명했다고 밝혔다. 연구 성과는 국제학술지 'Journal of Biological Engineering' 1월 12일자 온라인판에 게재됐다.

C1 바이오 리파이너리 기술은 탄소 원자가 하나인 C1 물질을 미생물의 먹이로 활용해 플라스틱 원료와 유기화학 소재를 생산하는 차세대 친환경 공정이다. 특히 메탄올은 가격이 저렴하고 저장·운송이 쉬워 산업적 활용 가능성이 높지만, 일반 미생물은 농도 1% 이상의 메탄올 환경에서 성장이 급격히 억제되는 한계가 있었다.

연구팀이 개발한 균주는 2.5%의 고농도 메탄올 환경에서도 기존 균주보다 약 1.68배 빠르게 증식하는 성능을 보였다. 이는 바이오 리파이너리 공정의 경제성을 좌우하는 핵심 요소인 생산 속도와 안정성을 동시에 개선한 결과다.

연구진은 메탄올 농도를 단계적으로 높이며 생존 개체만 선별하는 ‘적응형 진화’ 방식을 적용해 내성 균주를 확보했다. 이후 유전체 분석을 통해 독성 부산물 생성과 에너지 소비 과정에 관여하는 핵심 유전자 변이를 규명했다.

특히 metY 유전자 변이는 독성 물질인 메톡신 합성을 억제하고, kefB 유전자 변이는 세포 에너지 사용 효율을 높여 고농도 환경에서도 생존과 성장을 가능하게 하는 것으로 확인됐다. 연구팀은 이를 통해 단순 균주 개발을 넘어 고성능 미생물의 ‘유전적 설계도’까지 확보했다는 점에서 의미가 크다고 설명했다.

제1저자인 이규민 연구원은 “이번 연구는 메탄올 기반 바이오 리파이너리 공정에 최적화된 미생물 설계 원리를 제시한 것”이라며 “확인된 유전자 정보를 활용하면 유전자 가위 기술로 내성 균주를 신속하게 대량 생산할 수 있다”고 말했다.

김동혁 교수는 “바이오 플라스틱과 유기산 생산 과정에서 공정 비용을 낮추고 생산성을 높이는 데 중요한 기반 기술이 될 것”이라며 “석유화학 의존도를 줄이는 지속가능한 산업 전환에도 기여할 것”이라고 밝혔다.

전문가들은 이번 연구가 탄소 기반 화학 산업을 친환경 생물공정으로 전환하는 핵심 기술로 평가되며, 탄소중립 시대 바이오 제조 산업 경쟁력 확보의 중요한 전환점이 될 것으로 보고 있다.

논문명은 Integrated genomic and transcriptomic Insights into methanol tolerance mechanisms in Methylobacterium extorquens AM1, identifying key targets for strain engineering이다.