KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 개미산과 이산화탄소만으로 상대적 고농도 배양이 가능한 대장균을 개발했습니다. 대기 중 이산화탄소 저감은 물론 개미산, 이산화탄소, 메탄올 등 일탄소(C1) 화합물의 고부가가치화에 활기를 더할 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Nature Microbiology>에 게재됐습니다.
대장균, 잘 변형하면 유용한 화합물 대량 생산
빠르게 증식하는 대장균의 대사(metabolism) 과정을 잘 변형하면 유용한 화합물을 대량으로 생산할 수 있습니다. 원유·천연가스를 처리하는 증류탑이나 플랜트 등의 역할을 대장균이 대신하게 되는 겁니다. 대장균은 사람과 마찬가지로 탄소를 함유한 유기물질을 대사하며 다양한 물질을 생성하는데 이 과정을 변형하거나 최적화하려는 대사공학적 시도가 활발합니다.
이산화탄소로부터 쉽게 전환되어 얻어지는 개미산은 대기상태에서 안정된 액체로 보관과 이동이 용이하고 미생물이 섭취하기 더 효율적이어서, 원하는 화합물을 만드는 좋은 원료가 될 수 있습니다.
문제는 이산화탄소와 개미산만으로 대장균이 성장할 수 없어 포도당 같은 다른 탄소원을 함께 공급해야만 한다는 겁니다. 그러나 다른 탄소원을 공급해 줄 경우에는 추가비용 뿐 아니라 미생물이 개미산을 잘 사용하지 않는 문제가 발생합니다.
개미산과 이산화탄소만을 사용해 성장하는 대장균
이에 연구팀은 대장균이 포도당 등의 다른 탄소원 없이 개미산과 이산화탄소만을 사용해 성장할 수 있도록 대사경로를 변형하는 방식을 고안했습니다. 먼저 개미산과 이산화탄소로부터 범용적 원료 화합물(피루브산) 을 합성할 수 있도록 관련된 대사경로를 도입한 대장균을 제작했습니다. 다음으로 이 대장균에 미생물(캔디다 속)과 식물(아라비돕시스)로부터 얻은 개미산 탈수소화효소를 도입, 개미산으로부터 대사활동에 필요한 생체에너지를 얻을 수 있도록 개량했습니다.
나아가 합성된 원료 화합물로부터 대장균의 구성성분들을 합성 하는 대사회로를 강화하는 등 원하는 화합물을 산업적으로 생산할 수 있을 만큼 대장균이 왕성하게 증식할 수 있도록 했습니다. 실제로 이렇게 개량한 대장균을 이산화탄소와 개미산만이 함유된 배지에서 배양한 결과 광학밀도(optical density) 11 수준까지 증식했습니다.
개발된 기술을 활용하면 대장균을 이용한 발효공정을 통해 개미산 및 이산화탄소로만으로 고농도 세포 성장이 가능하고 향후 바이오 연료, 고분자, 화학 물질을 생산할 수 있습니다. 이를 통해 온실가스인 이산화탄소 저감에 기여할 수 있습니다. 또한, 개미산, 이산화탄소, 일산화탄소 등 탄소 하나로 구성된 탄소화합물로부터 각종 화학물질을 생산하는 C1 가스리파이너리 시스템 구축에 필요한 기술을 개발했다는 데에 의의가 있습니다.
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