석유 화학 물질 없이 포도향 생산하는 방법

연구배경은?

석유 자원의 고갈, 기후변화 및 환경 문제가 커지면서 여러 유용한 화학물질 생산을 위한 친환경적이고 지속 가능 공정의 중요성과 관심이 날로 커지고 있습니다.
특히 대사공학은 재생 가능한 비식용 바이오매스로부터 다양한 천연 및 비천연 화합물 생산을 가능하게 해 지속 가능한 발전을 위한 해결책을 제공해왔습니다.
그러나 식물에서 유래한 천연화합물 생산을 위한 미생물 개발은 여전히 부족한 분야로 남아 있었습니다.

메틸안트라닐산?

메틸안트라닐산은 콩코드 포도 특유의 향과 맛을 내는 주요 천연화합물로 여러 과일 및 식물에 함유돼 있습니다.
특히 메틸안트라닐산은 좋은 향 때문에 향수와 화장품, 의약품 등에 향미 증진제로 광범위하게 사용되는 물질로 다방면으로 활용 가능합니다.
그러나 식물에서 메틸안트라닐산을 추출하는 방식은 경제성이 낮아 지난 100여 년간 유기용매를 사용하는 석유 화학적 방법으로 제조돼 인공착향료로 분류됐습니다.

뭘 개발했나?

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대사공학기법을 이용해 재조합 미생물 기반의 포도향을 생산하는 공정을 개발했습니다.
미생물의 대사 회로를 설계해 포도당과 같이 재생 가능한 바이오매스로부터 100% 천연 메틸안트라닐산을 화학 촉매 없이 효율적으로 생산하는 공정을 최초로 개발했습니다.
생산 공정이 단순하고 친환경적이기 때문에 경제적인 방식으로 고부가가치 물질인 메틸안트라닐산을 생산할 수 있습니다.
이번 연구는 <미국 국립과학원회보(PNAS)>에 게재됐습니다.

어떻게 조사했나?

연구진은 메틸안트라닐산의 전구체인 안트라닐산을 생산하는 생합성 경로에 관여하는 유전자들을 증폭 또는 결실시켜 포도당으로부터 안트라닐산 생산을 고효율로 가능하게 했습니다.
또한, 안트라닐산 생산에서부터 메틸안트라닐산을 생산하는데 있어 대사공학적으로 보조기질(cofactor)를 증폭시켜 안트라닐산이 메틸안트라닐산으로 더 효과적으로 전환할 수 있게 했습니다.
메틸안트라닐산은 사람이 섭취 가능해야 하기 때문에 유전공학적으로 손쉽게 조작이 가능한 대장균을 이용해 먼저 균류를 개발했습니다.
이후 사람이 섭취 가능한 아미노산 물질을 생산하는 코리넬박테리움 글루타미쿰이라는 균주에 비슷한 전략을 도입해 균주를 개발했습니다. 이렇게 개발된 균주는 발표를 통해 100% 천연 메틸안트라닐산을 포도당으로부터 생산하는데 성공했습니다. 참고로 코리넬박테리움 글루타미쿰은 1956년 일본에서 발견된 균주로 처음으로 발효를 통해 화학조미료 MSG(monosodium glutamate)를 생산해 주목받은 균주입니다.

특이한 점은?

메틸안트라닐산 같은 식물 유래 천연 방향족 화합물들은 미생물에게 독성이 매우 강하기 때문에 미생물에서 메틸안트라닐산 생산을 고농도로 생산하는 것이 어려웠습니다.
이에 연구진은 이상(二相) 추출 발효 과정을 이용해 생산되는 메틸안트라닐산 메틸을 정제하는 방법도 개발했습니다.

이 연구가 왜 중요할까?