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Q. 선정된 연구성과의 내용과 의의는 무엇인가요?
글루타르산은 폴리아미드, 폴리에스터, 글루타르산 무수물, 1,5-펜탄디올의 생산을 포함한 다양한 응용 분야에 널리 사용되는 카르복시산입니다. 기존에 보고된 미생물을 이용한 글루타르산 생산 연구의 경우, 높은 글루타르산 생산 농도를 달성하는 데에 한계가 있었습니다. 또한 균주 전체의 대사 밸런스를 고려하지 않고 알려진 표적 유전자들만을 개량하여 균주 제작을 수행했다는 한계가 잇따랐습니다. 따라서 본 연구에서는 게놈(genome), 전사체(transcriptome), 흐름체(fluxome)을 아우르는 다중 오믹스 분석을 통하여 기본 균주의 대사흐름에 대한 이해도를 높였고, 이를 통해 예측한 표적 유전자들을 조작하여 글루타르산 생성능이 강화된 균주를 개발하였습니다. 또한, 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)의 글루타르산 수송체를 최초로 발견하였고, 이 유전자 발현의 강화를 통해 효율적인 글루타르산 생산을 가능케 하였습니다. 본 연구에서 개발된 글루타르산 생산 플랫폼 균주는 포도당으로부터 105.3 g/L의 글루타르산을 부산물 없이 생산하여 세계 최고 농도를 달성하는 데 성공하였습니다. 이는 향후 화학·환경·의료 분야 등 다양한 산업적 응용이 가능할 것입니다.
Q. 해당 연구분야의 최신 연구의 흐름은 어떤가요?
기후 변화에 대한 우려가 증가하고 화석 자원에 대한 의존도가 높아짐에 따라 재생 가능한 자원에서 화학 연료와 재료를 바이오 기반으로 생산하기 위한 관심이 증가하고 있습니다. 글루타르산은 폴리아미드, 폴리에스터, 글루타르산 무수물, 1,5-펜탄디올의 생산을 포함한 다양한 응용 분야에 널리 사용되는 중요한 유기 화합물입니다. 지금까지 글루타르산은 석유화학에 기반한 다양한 화학적 방법으로 생산돼왔는데, 이들은 대개 재생 불가능하고 독성이 강한 시작 물질에 의존해 친환경적이지 않다는 단점이 있었습니다. 따라서 포도당과 같은 재생 가능한 자원에서 글루타르산을 생물학적으로 생산하기 위한 다양한 접근 방식이 연구돼왔습니다. 앞서 본 연구팀에서는 수도모나스 푸티다 (Pseudomonas putida) 균주의 유전자를 대장균에 도입하여 최초로 글루타르산을 생산하는 미생물 균주개발을 보고한 바 있습니다. 하지만, 생산된 글루타르산의 농도가 낮다는 문제점이 있었습니다. 코리네박테리움 글루타미쿰을 이용한 글루타르산 생산 또한 여러 연구에서 보고되었지만, 이 균주의 라이신 생산량을 고려한다면 보다 높은 농도의 글루타르산 생산이 가능하다고 판단되었습니다.
Q. 함께 진행한 연구진을 소개 부탁합니다.
본 연구는 KAIST 생명화학공학과 대사 및 생물분자공학 연구실(MBEL)의 한태희, 김기배 박사과정 학생과 함께 진행하였습니다. 제 1저자인 한태희 박사과정 학생은 좋은 아이디어와 꾸준한 노력으로 불철주야 연구에 매진하여 훌륭한 연구를 해냈습니다. 또한 김기배 박사과정 학생이 인실리코 분석에 기여하여 큰 의미있는 연구를 완성하는 데 도움을 주었습니다.
Q. 현재 해당 연구분야의 한계는 무엇인지, 향후 연구방향과 계획이 궁금합니다.
해당 연구 분야의 한계는 효율적인 분리/정제 기술 개발과 랩 스케일을 벗어난 산업화 스케일의 바이오기반 글루타르산 생산입니다. 본 연구에서 개발한 코리네박테리움 글루타미쿰 균주로부터 대량의 글루타르산을 생산하고, 이를 분리 및 정제하여 바이오기반 고분자 합성에 이용하는 것을 최종 목표로 하고 있습니다. 향후 연구에서는 이번 연구에서 개발한 균주를 개량하여 더 높은 생산성과 효율을 가지는 균주를 개발하고, 글루타르산의 분리/정제 기술 개발, 바이오 기반 생산된 글루타르산으로부터 고분자를 합성하는 기술 개발을 통해 고분자 산업에 이바지하고 싶습니다.
Q. 평소 연구주제에 대한 선택과 아이디어를 어떻게 얻으시는지?
인간의 삶을 더욱 풍요롭게 하는 과정에서 인류가 직면하는 문제를 파악하고 공학자로서 해결하는 자세를 가지고자 합니다. 이번에 선정된 연구 또한 화석 연료 고갈과 환경문제의 해결에 기여하기 위해 시작되었습니다. 본 연구 진행 과정에서 글루타르산 생산을 위한 생합성 대사경로를 도입하여 라이신으로부터 글루타르산 전환에 성공한 후, 글루타르산 생성능 증가를 위하여 문헌 상 알려진 유전자들의 조작을 수행하였습니다. 이론상으로는 글루타르산 생성능이 증가되어야 했으나, 예상과 다르게 기본 균주보다 증가된 글루타르산 생성능을 보이지 않았습니다. 이를 해결하고자 다중 오믹스 분석을 통하여 균주의 전체 게놈 정보를 취득한 후 새로운 게놈 모델을 구축하고, 표적 유전자 선별을 위한 시뮬레이션을 진행하였습니다. 이렇게 라이신 과량생산 균주 자체의 대사 흐름에 대한 이해를 기반으로 선별된 유전자들을 게놈 상 조작함으로써 글루타르산 생성능이 증가된 균주 개발에 성공할 수 있었습니다.
Q. 과학자로서 연구활동 중 아쉬운 점이나 우리의 연구환경 개선에 관한 의견이 있으시다면?
훌륭한 연구는 때로 오랜 시간 수많은 실패와 경험을 거쳐 마침내 좋은 결실을 맺곤 합니다. 따라서 장기간의 연구개발과 투자가 필요합니다. 또한 연구내용이 상업화되기 위해서는 정부차원에서의 과학기술정책 수립 및 지원이 잇따라야 합니다. 우리나라의 경우 지속적으로 바이오 기술 개발 산업에 투자하여 경쟁력 있는 연구 결과들이 발표되고 있으나, 아직까지 세계 여러 나라에 비해 미흡한 부분이 있는 것이 사실입니다. 지속적인 바이오 화학기술 연구 지원과 기술 상용화를 위한 협력 연구가 더 활성화되면 좋겠습니다.
Q. 같은 분야를 연구하려는 학생/후학들에게 도움이 되는 말씀을 부탁드립니다.
기후위기, 인구 고령화, 식량-에너지-물 문제, 4차 산업혁명에 의한 모든 분야에서의 변혁 등 과학자들이 직면해야 할 문제는 다양합니다. 급변하는 시대의 흐름에 맞춰 바이오 분야 뿐만 아니라 다양한 학문에 관심을 가지고, 늘 큰 꿈을 가지며 꾸준히 자신을 발전시켜 나가기를 바랍니다.
Q. 그 외 추가하고 싶은 말씀 또는 바람이 있다면?
본 연구가 2020 국내 바이오 연구성과 Top 5로 선정되는 영광을 주셔서 감사하다는 말씀을 전하고 싶습니다. 이 연구가 좋은 결실을 맺기까지 많은 고생을 한 제자들과 그 외에 많은 도움을 준 MBEL 식구들에게도 이 자리를 빌려 감사를 전합니다. 앞으로도 친환경 바이오 화학과 고령화 대응을 위한 다양한 유용물질 생산 연구에서 의미있는 연구결과를 얻을 수 있도록 최선을 다하겠습니다. 감사합니다.
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< 2020 국내 바이오 연구성과 Top 5는 GenScript Biotech Corporation, (주)셀레믹스, 써모피셔 사이언티픽 코리아 후원으로 진행되었습니다. >
관련 사이트 :
- 2020 국내 바이오분야 연구성과 및 뉴스 Top 5
- 연구자가 선정한 2020 국내 바이오 성과∙뉴스 Top 5 (Bio통신원 2020-12-23)
인터뷰 내용
