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Nat. Commun., Published 8 January 2021, 12, 173 | https://doi.org/10.1038/s41467-020-20423-6
Microbial production of multiple short-chain primary amines via retrobiosynthesis

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

본 논문은 대장균의 엔지니어링을 통해 산업적으로 유용하게 사용되는 짧은 탄소 길이를 갖는 일차아민들의 생산이 가능함을 보였습니다. 짧은 탄소길이의 일차아민을 포함한 우리 생활 전반에 광범위하게 이용되고 있는 범용화학물질들은 현재 대부분 석유화학산업을 통해 생산되어 오고 있습니다. 하지만 석유화학산업으로 발생하는 지구 온난화 등의 환경문제가 전 세계적으로 매우 심각한 상황입니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 미생물 발효를 통한 범용화학물질 생산이 대두되고 있습니다.

이에 따라 석유화학 공정을 통해서 합성되던 화학물질 중에는 미생물의 엔지니어링을 통해서 바이오 기반으로 생산되는 사례가 점차 늘고 있지만, 아직 의약품 및 농약품들의 전구체로 널리 사용되는 짧은 탄소 길이를 가진 일차 아민들의 생산은 보고된 바가 없었습니다. 이에 본 연구를 시작하게 되었습니다.

지금까지 일차 아민들을 생산하는 균주들이 개발되지 못한 가장 큰 이유는 생합성 대사회로의 부재였습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 역생합성 시뮬레이션을 통해 이론적으로 가능한 모든 대사경로들을 예측하였습니다. 하지만 예측된 대사경로들의 개수가 너무 많아 모두 실험적으로 검증하는 것이 불가능하였습니다. 따라서 전구체 선택과정을 개발하여 가장 유망한 대사회로들을 선정하였고, 실제 실험적 검증을 통하여 10가지의 다른 짧은 길이의 일차 아민들을 생산하는 대장균 균주들을 개발하는데 성공하였습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

이번 연구는 KAIST 생명화학공학과의 이상엽 교수님, 김현욱교수님께서 이끌고 계시는 시스템 대사공학 및 시스템 헬스케어 연구실 (Systems Metabolic Engineering and Systems Healthcare Laboratory, SMESH)에서 이루어졌습니다. 본 연구실은 초세대 협업 연구실으로 KAIST 후배 교수가 선배 교수의 학문적 성과를 계승하고 세대를 뛰어넘은 상호 보완적·연속적 협력을 통해 발전해나가는 연구 문화를 독려하기 위해 만들어졌습니다. 본 연구실에서 달성하고자 하는 주된 목표들은 기후변화 극복, 재생가능한 화학산업 구축 및 헬스케어 입니다. 위 목표를 이루기 위해 본 연구실에서는 미생물의 시스템 대사공학을 통한 재생가능한 탄소원으로 다양한 화학물질들을 생산 연구, 가상 세포 개발 및 응용 연구 등 다방면의 연구를 진행하고 있습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

미생물들은 수많은 대사회로와 대사물질들을 갖고 있어 대사공학을 통해 여러가지 화학물질들을 생산할 수 있는 가능성을 갖고 있습니다. 그럼에도 불구하고 일상생활에 많이 쓰이는 화학물질들 중 일부는 대사회로의 부재로 인해 미생물을 통해 생산하지 못하는 경우가 있습니다. 본 연구에서 생산한 짧은 탄소길이를 갖는 일차아민이 대표적인 예 중 하나입니다. 신규 대사회로의 디자인 및 구축을 통해 미생물에서 이러한 유용화학물질들의 생산을 보임으로써 최초로 재생가능한 생산 가능성을 보였다는데 큰 보람을 느꼈습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

시스템 대사공학 분야는 인류가 현재 직면한 가장 큰 문제들 중 하나인 기후변화, 식량 문제 등의 해결에 기여할 수 있다는 점에서 큰 매력이 있습니다. 특히 기후변화에 관련하여서는 최근에 전 세계적인 관심들과 해결하려는 노력이 이루어지고 있기 때문에 연구를 진행하면서 큰 보람을 느낄 수 있는 학문 분야입니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

앞으로도 신규 대사회로 구축을 통해 다양한 유용 산업화학물질들의 재생가능한 생산이 가능하게 하기 위한 연구를 지속적으로 진행할 계획입니다. 또한 이렇게 만들어진 균주들의 시스템 대사공학을 통하여 생산효율을 증가시키는 연구도 진행하여 실제 산업화에도 기여하고 싶습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

먼저 항상 많은 가르침을 주시는 이상엽 교수님과 김현욱 교수님께 감사드립니다. 그리고 실험과 시뮬레이션에 도움을 많이 주신 동인이형, 우대형, 또한 간접적으로 도움을 주신 연구실 식구들에게도 감사의 말씀 드립니다.

Category: Biochemistry, Biotechnology, Chemical Biology
등록일 2021.01.20
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