‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’ 개발·완성

[더케이뷰티사이언스]   한국과학기술원^KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 친환경 화학 분야와 함께 의료·식품·화장품 분야 등 다양한 산업에 유용하게 활용할 수 있는 ‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’를 개발·완성했다. 이상엽 특훈교수 연구팀은 화학물질을 생산하는데 필요한 바이오 및 화학 반응들에 대한 정보를 총 망라해 생명공학자들이 쉽게 활용할 수 있도록 지도형태로 정리하고, 이에 대한 분석을 수행했다.

현대 사회는 석유로부터 화학제품을 생산하는 과정에서 온실가스를 배출하기 때문에 지구온난화 등 글로벌 기후변화를 유발하고 있다. 이에, 세계 각 국은 친환경적 방법으로 화학제품을 생산하기 위해 미생물을 활용한 화학물질 생산기술 개발에 주력하고 있다. 미생물과 같은 바이오매스 원료에 생물공학적 또는 화학적 기술을 적용해 화학원료·연료 등 화학제품을 생산하는 공정을 ‘바이오 리파이너리^Bio-Refinery’라 한다.

바이오 리파이너리의 생물공학적 방법 중 ‘시스템 대사공학¹’만을 100% 적용해 화학물질을 생산하는 사례가 점차 늘고 있지만, 생물공학적 방법과 화학반응의 통합공정이나 화학 공정만을 활용하는 것이 더욱 효율적인 경우도 많다.

이번에 구축한 바이오 기반 화학물질 합성 지도는 화학물질 생산을 위한 생물공학적·화학 적 반응 전체에 대해 최적의 합성 경로를 구축한 것으로, 앞으로 바이오 기반 화학제품 생산 연구에 귀중한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다. 특히, 이번 연구의 중요성을 인 정받아, 네이처 카탈리시스는 바이오 기반 화학물질 합성 지도를 포스터로 제작하여 관련 분야의 산업계, 연구계에서 활용할 수 있도록 전 세계에 배포할 계획이다.

이번 연구는 과기정통부 ‘기후변화대응기술개발사업’의 ‘바이오 리파이너리를 위한 시스템 대사공학 원천기술개발’ 과제 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구결과는 국제적인 학술지인 네이처 카탈리시스^{Nature Catalysis} 표지 논문으로 2019년 1월 15일 실렸다.

"바이오 리파이너리 기반 화학물질 생산은 선택 아닌 필수"

"우리를 포함한 전 세계가 기후변화를 고통스럽게 겪고 있다. 바이오 리파이너리 기반의 산 업 화학물질 생산은 더 이상 선택사항이 아닌, 필수사항이다. 이번에 개발한 지도는 앞으로 시스템 대사공학이 나아가야 할 방향과 아이디어의 청사진을 제시해 준다는 점에서 의미가 있다. 이는 향후 친환경 화학은 물론 의료·식품·화장품 분야 등 다양한 산업에 유용하게 활용할 수 있을 것이다.”

‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’를 개발·완성한 이상엽 특훈교수는 가상세포 및 초고속 분석기술을 이용해 생명체를 연구하는 시스템 생물학과 재생가능한 바이오매스로부터 화 학물질을 효율적으로 생산하는 분야인 대사공학의 세계적인 전문가다.

KAIST에서 약 24년 동안 대사공학과 시스템 생명공학에 관한 연구를 집중적으로 수행해 지 금까지 국내외 학술지 논문 607편, Proceedings 논문 156편, 국내외 학술대회에서 2384편 의 논문을 발표했고, 기조연설이나 초청 강연을 542여회 한 바 있다. Metabolic Engineering (Marcel Dekker 사 발간), Systems Biology and Biotechnology of E. coli (Springer사 발간), Systems Metabolic Engineering (Springer사 발간) 등 다수의 저서가 있다. 그 간 637건의 특허를 국내외에 등록 혹은 출원하였다. 현재 Metabolic Engineering과 Biotechnology Journal, Biotechnology and Bioprocess Engineering의 편집장을 맡고 있 으며, Biotechnology and Bioengineering, Genome Biology, Applied Microbiology and Biotechnology, BMC Systems Biology, mBio 등 20여개 국제학술지의 편집인, 부편집인, 편집위원으로 활동 중이다.

연구를 시작한 계기는.

바이오 기반으로 산업 화학물질을 만들 때, 주로 미생물과 같은 생명 시스템만을 사용하지 만, 경우에 따라서는 그 생산능력을 극대화하기 위해서 화학반응을 부분적으로 사용하는 경우가 있다. 하지만 어떠한 경우에 어느 정도로 화학반응을 활용할 지에 대한 거시적인 관점에서 정보는 매우 드물다. 이러한 이유로 주요 산업 화학물질이 지금까지 어떻게 생산되어져 왔는지 이에 대한 정보를 총 망라한 자료를 만들면 관련 연구원들에게 좋은 자료로 활용될 수 있을 것 같아 이번 연구를 시작했다.

연구 과정은.

먼저 바이오 리파이너리를 통해 생산 가능한 화학물질들을 이들의 전구체가 생합성되는 대 사회로에 따라 그룹화했다. 각 그룹들에 대해서 자연적으로 존재하는 대사경로 및 자연계에 존재하지 않지만 엔지니어링을 통해 만들어진 대사경로들을 모두 정리해 바이오 화학물질 합성 지도를 준비하게 되었다. 바이오 기반으로 생산되는 화학물질들 뿐만 아니라 바이오와 화학적 전환을 통합해 합성할 수 있는 모든 화학물질들에 대한 정보도 포함시켰다. 이를 기 반으로 각 화학물질들에 대해 지금껏 알려진 최고 생산농도, 수율 및 생산성 등에 대한 정보 또한 모두 정리해 주요 화학물질 생산에 대한 분석을 용이하게 했다. 이 과정을 통해 바이오 화학산업에 대한 전체적인 그림을 볼 수 있었으며, 이를 바탕으로 앞으로 바이오 화학산업이 해결해야 될 문제들을 정확히 짚을 수 있었다.

연구하면서 어려웠던 점은.

많은 수의 화학물질에 대한 대사회로 및 최대 생산농도, 수율, 생산성 등에 대한 정확한 정보를 확보하고, 이들을 논리정연하게 정리하는 데 어려움이 있었다. 제대로 공개되지 않은 산업정보를 수집하는 일도 쉽지 않았다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 화학물질들에 대한 조사를 주제별로 10명의 저자들이 나누어 진행했고, 추가 실수가 없는지 반복적인 확인 작업을 거쳤다. 많은 노력을 기울인 끝에 만족스러운 연구 결과를 얻었다.

기존 연구와 무엇이 다른가.

이 연구에서 개발된 바이오 화학물질 합성 지도가 기존의 대사경로 지도 대비 산업적 관점에 서 대사경로 및 화학적 반응들을 재구성하였다는 점이 가장 다르다. 이를 통해 오랫동안 진 행되어온 시스템 대사공학 연구 및 산업화의 현황을 확인할 수 있었으며, 주요 화학물질들의 다양한 합성경로를 시각적으로 한 번에 확인하는 것이 가능해졌다. 이 지도는 앞으로 새로 생산할 목표 화학물질을 선정하고, 이에 대한 합성 시스템 디자인 시 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

향후 연구계획은.

우리 일상생활에서 많이 사용되는 화학물질들의 대부분은 석유화학을 기반으로 만들어지고 있다. 앞으로 더욱 많은 수의 화학물질들이 지속가능하고 친환경적인 바이오 리파이너리 기 반으로 생산·산업화될 수 있도록 관련 연구를 꾸준히 진행할 계획이다.

1. 대사공학(Metabolic engineering)은 대사 물질의 생산경로 조작을 통해 목적 대사물질의 생산을 최적화 하는 기술을 의미한다. 대사공학은 생산경로 유전자의 과발현, 경쟁경로 유전자의 제거, 또는 외래 유전자의 도입 등을 통해 미생물이 가지고 있는 고유의 대사경로를 변형시킴으로써, 원하는 산물의 생산을 극대화 시키고자 하며, 이 과정에서 컴퓨터 모델링을 비롯한 다양한 공학도구들이 사용된다. 미생물을 이용해 생산 가능한 다양한 화학물질들은 에너지, 식품, 의약, 화장품, 화학산업 등에 널리 활용되고 있다. 시스템 대사공학(Systems metabolic engineering)은 기존 대사공학적 기법과 시스템생물학, 합성생물학 및 진화공학 기법 등과의 융합을 통해 체계적으로 미생물 대사를 재설계해 목표 화학물질의 대량생산을 가능하게 하는 학문이다. 이 기술은 2016년 세계경제포럼에서 ‘2016년 10대 떠오르는 기술’에 선정된 바 있다.