지난달 10일, 우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 나일론-5의 단량체인 발레로락탐(Valerolactam)을 생산하는 미생물 균주를 시스템 대사공학을 통해 개발했다고 밝혔다. 한태희 박사가 제1 저자로 참여한 이 연구는 국제 학술지인 ‘대사공학지(Metabolic Engineering)’에 지난 7월 12일 게재됐다.
 

나일론과 환경 문제

나일론은 고분자 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 종류 중에 하나로, 폴리아마이드 계열의 합성 고분자를 일컫는다. 본 연구에서는 수많은 나일론의 종류 중 나일론-5와 나일론 6,5의 중요한 단량체인 발레로락탐에 집중했다. 나일론이라는 이름 뒤에 붙는 숫자는 그 나일론을 구성하는 단량체에 들어가는 탄소의 개수로, 나일론-5 같은 경우는 탄소 5개로 이루어진 단량체를 가지고, 나일론 6,5의 경우에는 탄소 5개, 6개로 이루어진 단량체로 이루어져 있다.

현재, 이런 화학물질들은 석유화학 산업으로 생산하고 있다. 그렇기에 원하는 물질의 전구체에 촉매를 넣거나, 고온 환경을 구성해 주는 등 여러 화학 공정을 통해 나일론의 단량체를 생산하고 있다. 그러나 화학 공정 자체에 독성이 있는 촉매를 사용하여 환경 문제가 발생하거나 고온 환경을 조성하기 어려운 상황이 생길 수 있다. 또한, 석유화학 자원의 고갈과 단량체 생산 후 나오는 유해 폐기물의 환경 오염 등도 문제시되고 있다. 본 연구에서는 석유화학 산업으로 일어나는 환경문제를 해결하기 위해 나일론 단량체를 친환경적으로 생산하는 방법을 개발했다.
 

미생물 균주 개발

시스템 대사공학은 대사공학에 시스템 생물학을 합친 분야로 이상엽 특훈교수가 창시한 분야다. 대사공학은 자연적으로 우리 주변에 존재하는 미생물의 대사 과정을 연구에서 원하는 방향으로 바꾸기 위해 다양한 기술을 사용하여 생명체를 변화시키는 과정을 말한다. 시스템 생물학은 생명 현상을 시스템과 네트워크적 관점에서 체계적으로 이해하기 위한 학문을 뜻한다. 시스템 대사공학의 사례로는 대장균을 통해 가솔린을 만들어 내거나, 미생물로 플라스틱, 루테인 등을 생산하는 등의 사례를 들 수 있다.

본 연구에서는 코리네박테리움 글루타미쿰(C. glutamicum)이라는 미생물을 사용하였다. 대사회로 조작은 크게 네 가지 전략이 사용되었고, 각각 합성대사경로 구축, 대사흐름 강화, 수송체 조작, 그리고 포도당 섭취 효율 증대로 이루어져 있다. 합성대사경로 구축은 본래 미생물 내부에 발레로락탐을 생산하는 경로가 존재하지 않기 때문에 다른 미생물이나 포유류 등의 외래 유전자를 가져와 원하는 대사 경로를 구축하는 것을 의미한다. 대사흐름 강화는 포도당에서부터 발레로락탐까지 가는 대사 흐름을 강화하는 것으로, sRNA라는 작은 RNA를 mRNA의 전사 시작 부근에 붙게 하여 다른 불필요한 대사 과정을 약화하고, 발레로락탐 생산 과정에 관여하는 유전자는 더 강력한 프로모터로 전환하여 전반적으로 발레로락탐 생산량을 늘리는 조작을 시행했다. 그리고 연구의 문제점 중 하나가 발레로락탐 전구체 중의 하나인 5-아미노발레르산(5AVA)이라는 물질이 수송체를 통해 세포 밖으로 많이 유실된다는 것이었는데, 5-아미노발레르산을 들여오는 수송체를 강화하여 발레로락탐의 생산량을 더 늘렸다. 마지막으로, 이 생산 과정은 포도당이 주재료가 되는 대사 과정이기 때문에 포도당을 효율적으로 빠르게 섭취할 수 있는 연구를 진행하였다.

이 교수 연구팀은 2017년 대장균을 이용해 발레로락탐을 세계 최초로 생산하는 전략을 제시했었다. 당시에는 낮은 생산능력이라는 한계가 있었지만, 이번 연구는 세계 최고 농도(76.1g/L)의 발레로락탐을 생산하는 데 성공했다.

한 박사는 박사 과정을 하면서 주된 연구 분야가 고분자 산업에 관련된 물질들을 생산하는 연구였다고 말하며, 박사 연구 학위 논문도 코리네박테리움 글루타미쿰을 이용한 다양한 고분자 단량체 생산이었다고 덧붙였다. 연구하면서 어려웠던 점으로는 아직 규명되지 않은 유전자나 단백질들을 찾기 위해서 수많은 후보들을 직접 테스트해보는 과정이 어려웠다고 밝혔다.