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KAIST, 세계 최고 효율의 '숙신산' 생산 균주 개발...친환경 대량생산 가능
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KAIST, 세계 최고 효율의 '숙신산' 생산 균주 개발...친환경 대량생산 가능
  • 심성필 기자
  • 승인 2020.05.06 18:18
  • 댓글 0
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KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀
경북대학교 김경진 교수 연구팀 공동 연구
고갈돼 가는 화석연료 대체하는 바이오 기반 숙신산 생산
왼쪽부터 생명화학공학과 김기배 박사과정, 안정호 박사, 이종언 박사과정, 이상엽 특훈교수/KAIST

플라스틱의 원료와 식품의약품 합성에 사용되는 중요한 화학물질인 '숙신산(succinic acid)'을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 

6일 KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀과 경북대학교 김경진 교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 미생물 기반의 바이오 숙신산 대량 생산이 가능한 세계 최고의 효율을 가진 숙신산 생산 균주를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 

화학제품과 바이오연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 분야 중 핵심 기술인 '시스템 대사공학'은 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작해 산업 화학물질의 생산효율을 높일 수 있다고 한다. 

화석연료를 기반으로 이루어지는 산업으로부터 발생되는 지구 온난화 등의 부작용의 문제를 해결하고 급속도로 고갈돼 가는 화석연료를 대체할 수 있는 바이오 기반의 숙신산 생산은 필수적인데 연구팀은 한우의 반추위(되새김질을 하는 반추동물의 4개의 위 중 하나)에서 분리한 미생물인 맨하이미아(Mannheimia)의 대사회로를 조작해 숙신산을 생산하는 연구를 지속해 왔으며 이번에 효율적인 숙신산을 생산할 수 있는 개량균주를 개발하는데 성공했다. 

숙신산의 화학구조, 화학식 (CH2)2(CO2H)2

 

숙신산은 탄소 4개로 구성된 다이카복실산이다. 예로부터 광물 호박의 영혼이라 불리어 호박산이라고도 불린다. 미국 에너지부에 따르면 2004년에 바이오매스로부터 얻은 상위 12개 화학물질 목록에 포함되었다.

대사과정에 있어 숙신산 한 분자를 생산할 때 이산화탄소 한 분자를 소모한다. 따라서 미생물 배양에 의한 숙신산 생산을 통해 이산화탄소의 저감에 기여한다. 연구팀은 이번 연구 과정에서 숙신산 전환에 핵심역할을 하는 효소의 구조를 밝히는 한편 단백질 공학을 통해 효소 성능을 개선했으며, 이를 전체 대사회로 최적화에 연계시키는 시스템 대사공학을 수행했다. 

개발된 숙신산 생산 미생물의 대사 회로 및 숙신산 생산에 핵심적인 말산 탈수소효소의 효소 구조
개발된 숙신산 생산 미생물의 대사 회로 및 숙신산 생산에 핵심적인 말산 탈수소효소의 효소 구조/KAIST

이를 통해 포도당, 글리세롤, 이산화탄소를 원료로 리터당 134g의 높은 농도로 숙신산을 생산하고 경제와 가장 밀접하게 연관되는 생산성이 시간당·리터당 21g에 달하는 등 매우 효율적인 공정을 개발했는데 이는 세계 최고의 효율성을 지닌 숙신산 생산 공정으로 평가를 받고 있다. 지금까지는 일반적으로 시간당·리터당 1~3g이 최고 수준이었다.

KAIST 이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 미생물 기반 바이오 숙신산 대량 생산 기술은 화학산업의 플랫폼 화학물질로 사용될 수 있는 숙신산을 보다 더 효율적으로 생산할 수 있기 때문에 환경친화적인 바이오화학 산업으로의 전환에 기여할 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘C1 가스 리파이너리 사업’ 및 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’의 지원을 받아 수행됐다.

공동연구팀의 이번 연구 성과는 국제학술지‘네이쳐 커뮤니케이션 (Nature Communications)’ 4월 23일 字 온라인 판에 'Enhanced succinic acid production by Mannheimia employing optimal malate dehydrogenase'이라는 제목으로 게재됐다. 



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