생명화학공학과 연구원들, 시스템 대사공학의 미래 연구 전략 제시
상태바
생명화학공학과 연구원들, 시스템 대사공학의 미래 연구 전략 제시
  • 정수헌 기자
  • 승인 2019.10.08 19:14
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

효율적인 균주 개발로 바이오산업의 경쟁력 높일 수 있어…전략적 연구 과정 제안하고 최신 실험 도구와 기법들을 체계적으로 정리

우리 학교 생명화학공학과에서 박사학위를 받은 최경록 박사와 장우대, 양동수, 조재성 박사과정, 박다현 석사과정이 시스템 대사공학의 최신 기술을 정리하고 이를 이용한 연구 전략에 대한 논문을 발표했다. 이번 논문은 셀(Cell)지가 발행하는 리뷰 저널인 <생명공학의 동향(Trends in Biotechnology)> 8월호에 표지논문으로 게재됐다.

이번 연구가 게재된 '생명공학의 동향'의 표지 사진 (ⓒ최경록 박사 제공)
이번 연구가 게재된 '생명공학의 동향'의 표지 사진 (ⓒ최경록 박사 제공)

 

경제성 높이기 위해 대사공학 개선해

시스템 대사공학은 바이오 기반 산업에 적합한 미생물 균주를 더 효과적으로 개발함으로써 기존의 화학산업에 지속가능성을 부여하기 위해 우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 창시한 분야이다. 기존의 대사공학은 미생물 균주 개발을 위해 반복된 시행착오를 거치며 많은 인력과 비용, 시간이 소모되는 문제점이 있었다. 하지만 시스템 대사공학은 전통적인 대사공학에 합성 생물학, 시스템 생물학, 진화공학적 기법을 융합함으로써 고성능 균주의 개발을 용이하게 하고, 생산 공정의 경제성을 높여 석유화학 산업에 대한 바이오산업의 경쟁력을 높일 수 있다. 이번 논문은 시스템 대사공학의 최신 실험 도구와 기법을 체계적으로 정리하고, 이를 활용한 미래 연구 전략을 제시했다.

 

산업화 위한 효율적인 연구 과정이란

시스템 대사공학 연구는 크게 ▲프로젝트 디자인 ▲호스트 균주 선정 ▲대사회로 구축 ▲독성 저항성 향상 ▲대사 흐름 최적화 ▲발효 ▲회수 및 정제 ▲스케일 업 단계로 구분된다. 시스템 대사공학은 프로젝트 디자인 단계에서부터 산업 환경에서 진행되는 발효, 분리·정제 등의 공정을 고려한다. 이처럼 실험실 규모에서 개발한 균주가 산업 규모의 생산에 적용될 때 발생하는 문제를 예측해 시행착오의 최소화를 추구한다. 생산하고자 하는 목적 화합물과 생산에 이용할 탄소원 선정에는 경제성과 생산 가능성을 고려하며, 각 단계의 공정에 용이한 목적 화합물의 농도와 순도를 고려해 개발하고자 하는 균주의 목표 성능을 설정한다.

과거에는 주로 균의 생리와 엔지니어링 도구가 잘 갖추어진 모델 미생물을 균주 개발에 사용되는 호스트 균주로 이용했다. 최근 엔지니어링 도구 개발이 용이해짐에 따라 이산화탄소 고정이 가능한 시아노박테리아, 식품 안전성이 보장되는 유산균과 같이 목적과 공정에 적합한 균주가 이용되고 있다. 또한, 미생물뿐만 아니라 식물·동물 세포와 같은 진핵 세포, 더 나아가 식물이나 곤충 등 살아있는 다세포 유기체도 엔지니어링에 이용되고 있다.

 

생물정보학 이용해 대사 회로 구축

목적 화합물 생합성을 위한 대사 회로는 호스트 균주의 대사 과정을 최적화하거나 외래 대사 반응을 도입해 구축한다. 비교적 간단한 대사 회로의 경우 대사 반응·경로 데이터베이스에 기반해 직관적으로 디자인할 수 있지만, 회로가 길고 복잡할수록 최적 경로 디자인이 어려워진다. 최근 생물정보학 도구가 발전함에 따라, 특정 효소 반응에서 기질과 산물의 화학구조 변화에 기초한 반응 규칙 데이터베이스에 기반해 목적 화합물 생산에 필요한 대사회로를 디자인하는 효율적인 전략이 개발되었다. 또한, 합성생물학 발전으로 더욱더 많은 수의 유전자를 안정적으로 도입, 발현시키는 것이 가능해짐에 따라 복잡한 대사회로의 구현이 용이해졌다.

 

공정에서 균주 생존 위한 내성 증가   

미생물 균주가 산업적 경쟁력을 갖추기 위해선 목적 화합물을 고농도로 생산하는 것이 필수적이지만, 많은 경우 목적 화합물의 농도가 높아짐에 따라 세포에 대한 독성이 증가하게 된다. 따라서 목적 화합물에 대한 균주의 내성을 향상하는 것이 중요하다. 목적 화합물의 세포 독성 작용이 밝혀지면 해당 경로를 차단함으로써 독성을 낮추는 방법이 있으며, 세포 내부에 물질이 유입되는 것을 막거나 유입된 물질을 세포 외부로 배출해 독성을 낮추는 전략도 가능하다. 또는 목적 화합물의 농도를 점차 높이면서 여러 세대에 거쳐 배양해 저항성이 강한 변이를 선별하는 접근법이 이용되기도 한다.

 

대사 회로 최적화 통해 생산성 향상  

이후 엔지니어링 된 균주의 목적 화합물 생산효율을 향상하기 위해 구축된 대사 회로의 흐름을 높이는 과정이 필요하다. 대사 회로의 흐름을 저해하는 요소를 찾기 위해 가상환경의 유전체 수준 대사 모델을 기반으로 엔지니어링 후 성능을 시뮬레이션할 수 있다. 또한, 목표 화합물과 중간 생성물의 양을 실시간으로 감지하는 바이오 센서를 개발해 대사 회로를 쉽게 최적화할 수 있다.

산업 환경을 염두에 두고 프로젝트를 디자인하더라도, 산업 규모 공정의 배양 상태가 실험실 규모에서와 다르므로 균주의 성능이 실험실에서보다 낮아질 수 있다. 따라서 개발한 균주를 실제 산업에 투입하기에 앞서 공정의 규모를 점차 키워가며 예상치 못한 취약점을 확인하고 개선함을 반복해 산업 규모에서의 표적 화합물 생산에 최적화된 균주를 완성하는 것이 중요하다. 또한, 균주가 자연에 유출될 경우 사멸하도록 하는 기술도 개발되고 있다. 

이번 논문의 주저자인 최경록 박사는 “기후 변화와 석유 고갈 문제가 심화되는 현재 기존의 석유화학 산업을 친환경적이고 지속가능한 바이오산업으로 대체하는 것은 필수적이다”라며 “시스템 대사공학은 산업에 투입 가능한 고성능 생산 균주의 개발을 촉진함으로써 바이오산업 시대를 앞당길 것”이라고 전했다.
 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
0 / 400
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.
주요기사
이슈포토