메탄을 친환경 소재로 바꾸는 합성생물학 기술 개발
생명과학 / Bio통신원
한국생명공학연구원 (2022-11-24)

국내 연구진이 지구온난화의 주범 중 하나로 지목받는 메탄을 고부가가치 소재로 바꿔주는 인공미생물을 개발하였다.

한국생명공학연구원(원장 김장성) 합성생물학연구소 이승구 박사팀은 합성생물학 기술을 이용하여 메탄을 고부가가치 바이오화학 소재로 바꿔주는 유용 미생물을 개량하는 기술 개발에 성공하였다고 밝혔다.

메탄을 소재로 전환하는 유용 미생물 생산 기술을 확보함에 따라 향후 기후변화 대응과 소재 개발 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

메탄은 온실가스 중 하나로 이산화탄소보다 배출량은 적지만 온실효과는 더 강력한 기체로, 2021년 글로벌 메탄 서약 출범 이후 메탄가스를 저감할 수 있는 방안에 전 세계적인 관심이 높아지고 있다.

특히, 단순히 메탄가스의 감축에 그치지 않고 메탄을 이용해 자원화나 소재화 등 연계 활용할 수 있는 기술에 대한 수요가 높아 메탄을 에너지원으로 사용하는 메탄영양세균(methanotroph)이 주목받고 있다.

메탄영양세균은 메탄을 흡수하여 메탄올(알코올)로 분해하는 미생물로, 이를 개량하면 메탄에서 메발론산(Mevalonate)과 같은 유용 화합물을 얻을 수 있다. 메발론산은 화장품, 의약품, 식품 및 합성수지 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 고부가가치 바이오화학 소재이다.

하지만 메탄영양세균 개량 기술은 아직 초기 단계로 개량된 균주를 얻기까지 수개월 이상의 많은 시간이 소요되고, 메발론산의 생산량이 수십 ㎎/L에 그치는 등 기술적 개선이 필요하다.

이에 연구팀은 미생물 구축 효율과 메발론산 생산성이 대폭 개선된 인공 메탄영양세균을 제작할 수 있는 합성생물학 기반의 개량 기술을 개발하였다.

연구팀은 균주 내 세포들이 편차 없이 발현하는 시스템을 구축하고 크리스퍼 기반의 유전자 편집기술을 적용해 교정효율을 10배 이상 향상시켰다. 

이로 인해 인공미생물 구축에 걸리는 시간이 기존 대비 2~3배가량 단축됐으며, 메발론산 생산량 또한 2.1g/L로 크게 증가하였다.

연구책임자인 이승구 박사는 “합성생물학 기술 개발을 통해 온실가스인 메탄을 효율적으로 활용할 수 있는 인공미생물을 구축하게 된 데 의미가 있다”라며, “향후 탄소중립 대응과 관련하여 친환경 고부가가치 소재 생산 기술로써 연관 산업에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

또한, 공동교신저자인 이혜원 박사는 “메탄영양세균은 산업 미생물로 널리 이용되는 대장균 등에 비해 생장 속도가 느리고 균주 개량이 어려워 그동안 활용이 제한적이었다”라며,

“이번에 개발한 메탄영양세균 개량 기술이 산업적으로 유용한 미생물에 대한 합성생물학 기반의 균주 개량 연구 활성화에 초석이 되길 기대한다“라고 밝혔다.

이번 연구는 화공생명공학 분야의 세계적인 저널인 Chemical Engineering Journal(IF 16.744) 10월 21일자 온라인판에 게재되었으며,
    (논문명 : A highly efficient and versatile genetic engineering toolkit for a methanotroph-based biorefinery / 교신저자 : 이승구・이혜원・이대희 박사 / 제1저자 : 정지영 박사후연구원, 김태현 박사과정생)

과기정통부 C1가스리파이너리사업과 차세대바이오유망범융기술연구지원사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.


연   구   결   과   개   요

□ 연구배경

 ○ 메탄은 이산화탄소에 이어 두 번째로 가장 많이 배출되고 온실효과가 높은 주요 온실가스로 알려졌다. 기후변화 대응의 시급성이 강조되면서 2021년에 열린 COP26에서는 메탄 감축을 위한 '국제메탄서약(Global Methane Pledge)'이 출범하였다.

 ○ 메탄영양세균은 메탄을 유일 탄소원으로 생장하고 에너지원으로 이용하는 미생물로, 메탄을 재생 가능한 원료로 사용하여 생화학물질을 생산할 수 있는 세포공장 섀시로 많은 관심을 끌고 있다. 그러나 메탄영양세균 개량을 위한 유전공학 및 합성생물학 도구가 많이 개발되어 있지 않아서 효율적인 미생물 개량이 어렵고 낮은 생산성으로 인하여 메탄영양세균 기반의 바이오리파이너리 구현에 걸림돌이 되는 상황이다. 효율적인 편집 기술의 부재로 인하여 메탄영양세균 개량은 시간이 많이 소요되고(일반적으로 수개월), 다양한 바이오 제품 생산에 활용되지 못하고 있다.

□ 연구내용

 ○ 본 연구팀은 온실가스 메탄을 활용하기 위하여 합성생물학 기반 효율적인 메탄영양세균 개량 기술을 개발함.

  - 메탄영양세균 내에서 다양한 외래 단백질을 최적으로 발현하기 위하여 세포 간 차이 없이 균질하게 고수준으로 발현을 유도할 수 있는 발현시스템을 구축함.

  - 이를 기반으로 메탄영양세균 유전체를 고효율로 빠르고 간편하게 편집할 수 있는 유전자가위 기반 편집기술(CRISPR-base editor)를 구축함.

 ○ 개발된 합성생물학 기술을 적용하여 메탄영양세균에서 메탄을 유일 탄소원으로 이용하여 2.1 g/L 메발론산을 생산함.

□ 연구성과의 의미

 ○ 메탄영양세균 개량을 위한 고효율 합성생물학 기술을 구축하고 이를 적용하여 메탄으로부터 고부가가치 메발론산을 세계 최고 수준으로 생산함.

  - 기존 메탄영양세균 기반으로 메탄으로부터 전환된 바이오화합물에 비해 괄목할만하게 높은 그램(g) 수준의 생산성을 확보함. 이는 온실가스인 메탄의 자원화를 통한 화장품 원료 등에 이용이 가능한 바이오화학 소재 물질을 생산한 것으로 환경친화적이고 지속가능한 산업 생산의 가능성을 보여주며, 향후 다양한 활용 가치를 가질 것으로 판단됨.
 

연 구 결 과  문 답

이번 성과 뭐가 다른가

1. 일반적으로 실험실에서 잘 활용되는 미생물 (대장균 등)에 비해 부족했던 유전자발현 및 대사 조절을 위한 메탄영양세균용 합성생물학적 개량 도구kit를 확보
2. 비교적 짧은 시간 내에 개량 균주/인공미생물 확보 가능
3. 메탄 전환 바이오화합물(메발론산) 세계최고 수준 달성

어디에 쓸 수 있나

온실가스(메탄)의 고부가가치화로써, 탄소중립대응 및 지속가능한 바이오화합물 생산 공정 개발에 중요한 핵심기술이 될 수 있음

실용화까지 필요한 시간은

이번 결과의 일부는 국내 대기업에서도 기술사용계약을 통하여 제공되었으며, 향후 친환경 바이오소재 제조에 활용될 것을 기대함.

실용화를 위한 과제는

실용화를 위해서는 화합물의 scale-up 공정 검증 조건을 찾고 수율 검증이 수행되어야 함.

연구를 시작한 계기는

본 연구진은 지속적으로 합성생물학 기반 인공미생물 개발연구를 수행해왔습니다. 합성생물학은 기존에 ‘DNA 부품을 기반으로 논리회로를 설계하고 합성하여 자연에 존재하지 않았던 생물학적 기능을 구현하거나 기존 시스템을 재설계하기 위해 사용하는 기술 분야’이다. 이를 기반으로 온실가스(메탄) 활용 원천기술을 구축하는 것이 메탄자원화 연구에서 어려움을 겪었던 개량 인공미생물 구축 소요시간과 낮은 바이오화합물 생산성을 향상시킬수 있는 원천기술 개발이 가능할 것으로 생각하였음. 결과적으로 메탄영양세균 내 조절가능한 고발현 시스템과 고효율 유전체 편집기술을 성공적으로 구축하여 메탄으로부터 유의미한 바이오화합물 생산 증대 시스템을 개발할 수 있었음.

꼭 이루고 싶은 목표는

메탄영양세균용 유전자 파트 및 개량 도구들을 더욱 다양하게 확보하고, 특히 생명(연)에 구축하는 바이오파운드리 베타 시스템을 이용하여 이의 적용을 최적화하여 산업계에 활용이 가능한 고효율 메탄전환 인공미생물 구축

신진연구자를 위한 한마디

이번 성과는 연구소의 다양한 분야 전문가들이 협력하여 이뤄낸 결과임. 신진연구자들도 많은 소통과 교류로 융합연구를 더욱 활성화해가길 바람.

 

메탄을 친환경 소재로 바꾸는 합성생물학 기술 개발

그림1. 합성생물학 고효율 편집기술을 구축하고 이를 메탄영양세균에 적용하여 환경오염물질인 온실가스 메탄을 전환하여 유용 산물 메발론산을 생산하는 모식도
 

메탄을 친환경 소재로 바꾸는 합성생물학 기술 개발

그림 2. 다양한 바이오파트(외래단백질 발현을 조절할 수 있는 부품)와 고효율 CRISPR기반 유전체 편집기술을 적용하여 메탄영양세균의 대사경로를 최적화하고 메탄전환 유용소재 생산성을 획기적으로 증대시킨 연구결과 요약 모식도  

정보출처: BRIC 바이오통신원
<본 기사는 기관에서 작성된 보도자료 또는 개인에 의해 작성 되었습니다.>
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