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Q. 선정된 연구성과의 내용과 의의는 무엇인가요?
바이오디젤은 일반적으로 식물성 혹은 동물성기름을 에스터교환(transesterification) 반응을 통해 생산되고 있습니다. 그런데 팜유와 같이 널리 쓰이는 바이오디젤 원료는 동남아시아 등에서는 먹는 기름으로서 food vs. fuel 문제가 다시 거론되고 있습니다. 본 연구에서는 비식용바이오매스인 리그노셀룰로직스를 분해하여 얻어지는 포도당을 원료로 하여 바이오디젤을 생산하는 기술을 개발하고자 하였습니다. 이를 위하여 세포 내 기름을 축적하는 것으로 알려진 박테리아인 로도코커스(Rhodococcus)를 시스템 대사공학을 통해 대사 회로를 체계적으로 조작해 최고성능으로 지방산 및 바이오디젤을 생산하는 균주를 개발하였습니다. 우선 로도코커스의 배양 조건을 최적화한 뒤 포도당을 섭취해 세포 내 과량의 기름(트리아실글리세롤, triacylglycerol, TAG)을 고효율로 축적하게 하였습니다. 현재는 리터당 100g 이상의 TAG를 생산하는 유가식 배양기술을 개발하였습니다. 이후 선별한 외부 효소를 도입해 효과적으로 기름을 지방산으로 전환해 최고 농도 (50g/L이상)의 지방산 생산 균주를 개발하였습니다. 또한, 지방산을 두 가지 형태의 바이오디젤 연료 물질로 효율적으로 전환하는 추가적인 유전자 조작을 통해 바이오디젤을 최고성능으로 생산하는 데 성공하였습니다.
최근에 미생물 발효를 통하여 바이오디젤을 생산하려는 연구들이 진행되고 있었지만 모든 앞선 연구들은 바이오디젤의 생산효율이 너무 낮다는 한계가 있었습니다. 이번 연구에서는 엔지니어링된 보고가 많이 되지 않은 로도코커스 균주를 대사공학적으로 개량하여 이러한 한계를 극복할 수 있었습니다. 이 성과를 통해 향후 식물성이나 동물성 기름에 의존하지 않고 비식용 바이오매스로부터 미생물 기반 바이오 연료의 대량 생산까지 가능하게 할 것으로 기대할 수 있게 되었습니다. 또한, 과기정통부의 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 과제 연구를 통해 얻게 된 본 결과는 과제목표에도 잘 맞는 결과라서 더욱 의미가 있다고 생각하며 지원에 감사드립니다.
Q. 해당 연구분야의 최신 연구의 흐름은 어떤가요?
화석원료는 현대 산업의 기초 물질이자 우리 생활 전반에 광범위하게 이용되는 화학원료 및 에너지원으로 필수적인 물질입니다. 그러나 화석원료 고갈에 대한 우려와 원유 산업으로 인한 온난화 등의 환경문제가 세계적으로 매우 심각한 상황입니다. 특히 우리나라의 경우 석유를 전량 수입에 의존하기 때문에 국제 유가 변동에 매우 취약해 환경문제를 해결과 원유를 대체할 수 있는 지속 가능한 바이오 기반 재생에너지의 생산이 필수입니다. 따라서 재생 가능한 자원 기반의 바이오 연료 개발이 활발히 이뤄지고 있는데, 그 중 경유를 대체할 수 있는 환경친화적 연료인 바이오디젤이 있습니다.
앞서 간단히 언급하였듯이 현재 이러한 친환경적인 바이오디젤은 주로 식물성 기름이나 동물성 지방의 에스터교환 반응을 통해 만들어지고 있습니다. 하지만 이러한 생산 방식은 전 세계적으로 많은 인구가 식량이 부족하여 굶고 있는 상황에 식용으로 사용할 수 있는 식물성 혹은 동물성 지방을 연료를 만드는데 사용한다는 문제점을 갖고 있습니다. 따라서 최근에는 비식용이면서 지구에 가장 풍부한 바이오매스인 폐목재, 잡초 등의 주성분인 포도당으로부터 미생물 발효를 이용하여 지방산 및 바이오디젤을 생산하는 연구들이 많이 진행되고 있습니다.
Q. 함께 진행한 연구진을 소개 부탁합니다.
본 연구는 저희 KAIST 생명화학공학과 대사 및 생물분자공학 연구실(MBEL)에서 해당 연구로 박사학위를 받은 제 1저자인 김혜미 박사와 공동저자들인 채동언 박사, 최소영 연구조교수, 김원준 박사와 함께 진행하였습니다. 제 1저자인 김혜미박사는 좋은 아이디어로 불철주야 연구를 했기에 어려운 난관들을 모두 뚫고 기술 개발이 가능했습니다. 또한, 채동언박사, 최소영박사, 김원준박사가 발효분석 및 인실리코분석에 함께 기여하여 기술융합을 통해 좋은 결실을 맺을 수 있었습니다. 이 연구가 좋은 결실을 맺기까지 많은 고생을 한 제 제자들과 그 외에 많은 도움을 준 MBEL 식구들에게도 이 자리를 빌려 감사를 전하고 싶습니다.
Q. 현재 해당 연구분야의 한계는 무엇인지, 향후 연구방향과 계획이 궁금합니다.
해당 연구 분야의 가장 큰 한계는 랩 스케일을 벗어난 산업화 스케일 발효를 통한 바이오디젤 생산입니다. 해당 연구에서 개발된 균주는 랩 스케일 발효에서 좋은 생산 성능을 보였으나 발효 스케일이 점점 커지면서 기존 개발된 균주가 여전히 좋은 생산효율을 가진다는 보장은 없습니다. 따라서 더 스케일이 큰 발효를 통하여 스케일업 과정에서의 문제점을 파악하고 이를 대사공학 혹은 발효 공정 최적화를 통하여 해결하고자 합니다. 향후 산업 스케일의 미생물 기반 친환경적 바이오 디젤 생산 공정을 개발하여 전 세계적으로 중요 안건인 재생 가능한 화학 산업 구축에 이바지 하고 싶습니다.
Q. 평소 연구주제에 대한 선택과 아이디어를 어떻게 얻으시는지?
국내뿐만 아니라 전 지구적으로 인류가 어떠한 문제를 가지고 있는지, 또한 앞으로 어떻게 변화해 갈지에 대해 항상 주의 깊게 보는 자세를 갖추고자 노력합니다. 이를 통해 우선적으로 해결해야 하는 중요한 문제를 설정하고, 공학자로서 어떠한 기여를 할 수 있을지 고민하는 과정을 통해 연구주제를 선정하게 됩니다. 이는, 학생들과의 주기적인 토론을 통해 연구 주제 및 아이디어를 구체화하는 과정으로 이루어지게 됩니다.
이번에 선정된 바이오디젤 생산 연구의 경우도 지구가 당면한 가장 큰 문제 중 하나인 화석원료 사용에 따른 기후 변화를 포함한 다양한 심각한 환경오염 문제 해결에 기여하기 위해 시작되었습니다. 비산유국인 우리나라의 실정을 고려할 때도, 이러한 바이오 연료 기술 개발은 앞으로 우리나라의 경제발전에 큰 기여를 할 것이라 생각합니다. 저희는 2013년 대장균을 이용하여 바이오 연료인 가솔린을 생산하는 미생물을 세계최초로 개발하여 Nature지 표지논문으로 발표한 바 있습니다. 해당 기술은 proof-of-concept로는 아주 우수하지만 생산성이 낮아 실용화가 힘들다는 단점이 있었습니다. 이러한 점을 극복하기 위해 로도코커스라는 균주가 가진 지질을 축적하는 대사 특성을 활용하는 아이디어를 고안하여 본 연구를 수행하게 되었고 좋은 결과를 얻을 수 있었습니다.
Q. 과학자로서 연구활동 중 아쉬운 점이나 우리의 연구환경 개선에 관한 의견이 있으시다면?
바이오 화학기술은 여러 가지 심각한 문제들을 초래하고 있는 화석원료 기반 화학 산업을 대체할 미래 기술로서 세계 각국에서 많은 연구들이 이루어지고 있습니다. 우리나라의 경우에도 지속적인 바이오 연구개발 투자 확대를 통해 본 연구를 포함하여 세계적인 연구 결과들이 많이 개발되었습니다. 하지만 아직까지 미국이나 유럽, 중국에 비해 기술 투자 자본이나, 바이오 화학제품의 시장 규모가 뒤떨어지고, 상업화 부분에서 미흡한 실정입니다.
개발연구가 상업화에 이르기 위해서는 장기간의 연구개발과 투자가 필요하며, 정부차원에서 지구 환경과 인간의 건강을 고려한 정책 수립 및 기술 개발 지원이 계속적으로 이루어져야 할 것입니다. 특히 기술 상용화를 위한 산업체와 학계 사이의 상호 보완적인 협력 연구가 더욱더 활성화되는 것이 중요합니다.
Q. 같은 분야를 연구하려는 학생/후학들에게 도움이 되는 말씀을 부탁드립니다.
’4차산업혁명시대’로 일컬어지는 현대 사회는 복잡하고 빠르게 변화하는 시대입니다. 다양한 과학 기술들이 융합하여 이러한 급진적인 변화를 가능하게 하였고, 이는 바이오 분야에서도 큰 영향을 미치고 있습니다. 바이오 빅 데이터의 처리 및 물리학, 화학 등 다양한 학문과의 융합을 통해 우리 생활을 보다 더 편리하고, 건강하고, 재미있게 만들고 있습니다. 이렇듯, 바이오 분야를 연구하더라도 다양한 분야에도 관심을 가지고, 여러 사람을 만나 소통하는 과정을 통해 폭넓은 생각을 하는 것이 중요하다고 생각합니다.
그리고, 가장 중요한 점은 연구자로서 지구환경을 보호하고 인류를 건강하고 행복하게 하는데 기여하고자 하는 사명감과 책임감, 윤리의식을 가지는 것입니다.
Q. 그 외 추가하고 싶은 말씀 또는 바람이 있다면?
우선 “2019 국내 바이오분야 연구성과 Top5”로 선정되는 영광을 주셔서 감사하다는 말씀을 전하고 싶습니다. 같은 분야에 종사하는 분들께서 직접 선정하여 주신 결과라 더욱 의미 있다고 생각합니다. 이에 더 책임감을 갖고 우리나라 바이오 화학 산업 발전에 기여할 수 있는 원천기술들을 많이 개발하도록 최선의 노력을 하겠습니다. 또한, 사랑하는 제자들이 세계를 선도하는 공학자들로 성장하도록 함께 고민하고 노력하겠습니다. 많은 관심과 응원 부탁드립니다. 감사합니다.
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< 2019 국내 바이오 연구성과 Top 5는 써모 피셔 사이언티픽 코리아의 단독후원으로 진행되었습니다. >
관련 사이트 :
- 2019 국내 바이오분야 연구성과 및 뉴스 Top 5
- 연구자가 선정한 2019 국내 바이오 성과∙뉴스 Top 5 (Bio통신원 2019-12-17)
인터뷰 내용
