의미있는 나의이야기

□ 미생물과 같은 바이오매스 원료에 생물공학적 또는 화학적 기술을 적용해 화학원료·연료 등 화학제품을 생산하는 공정을 ‘바이오 리파이너리(Bio-Refinery)’라 한다.

 o 바이오 리파이너리의 생물공학적 방법 중 ‘시스템 대사공학*’만을 100% 적용하여 화학물질을 생산하는 사례가 점차 늘고 있지만, 생물공학적 방법과 화학반응의 통합공정이나 화학공정만을 활용하는 것이 더욱 효율적인 경우도 많다.

  * 시스템 대사공학 : 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작해 화학물질을 대량생산할 수 있는 핵심기술

 o 이번에 구축한 바이오 기반 화학물질 합성 지도는 화학물질 생산을 위한 생물공학적·화학적 반응 전체에 대해 최적의 합성 경로를 구축한 것으로, 앞으로 바이오 기반 화학제품 생산 연구에 귀중한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다.

□ 특히, 이번 연구의 중요성을 인정받아, 네이처 카탈리시스는 바이오 기반 화학물질 합성 지도를 포스터로 제작하여 관련 분야의 산업계, 연구계에서 활용할 수 있도록 전 세계에 배포할 계획이다.

□ 이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 지도는 앞으로 시스템 대사공학이 나아가야 할 방향과 아이디어의 청사진을 제시해 준다는 점에서 의미가 있다”며,

 o “이는 향후 친환경 화학은 물론 의료·식품·화장품 분야 등 다양한 산업에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.”라고 밝혔다.

□ 이번 연구는 과기정통부「기후변화대응기술개발사업」의「바이오 리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발」과제 지원을 받아 수행되었다.

<붙임자료>  1. 연구결과 개요       2. 용어설명             3. 연구이야기  

            4. 그림설명             5. 연구진 이력사항    <별첨> 포스터

□ 연구배경

 ㅇ 바이오 리파이너리는 바이오매스 원료에서 생물공학적·화학적 기술을 이용해 화학제품·바이오연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 연구분야에 해당한다. 바이오 리파이너리에서의 “시스템 대사공학”은 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작하여, 바이오매스 원료로부터 산업 화학물질의 생산능을 최대치로 끌어올릴 수 있는 핵심기술이다.

 ㅇ 지금껏 석유화학공정을 통해서 합성되던 화학물질들 중에는 미생물 시스템 대사공학을 통해서 100% 바이오 기반으로 생산되는 사례가 점차 늘고 있지만, 통합된 바이오화학공정이나 석유화학공정만을 활용하는 것이 더욱 효율적인 경우도 많다. 이 맥락에서 주요 산업 화학물질들에 대한 최적의 합성 경로들에 대한 정보는 시스템 대사공학 기반 산업 화학물질 생산 시스템 디자인 시 귀중한 자료로 활용될 수 있다.

 ㅇ 이에 본 연구팀은 주요 산업 화학물질들을 생산하는 데에 활용될 수 있는 관련 바이오, 화학 및 이들의 통합된 합성경로 정보가 담긴 “바이오 기반 화학물질 합성 지도”를 개발하였다.

□ 연구내용

 ㅇ 이번 연구에서 완성한 이른바 바이오 기반 화학물질 합성 지도는 주요 산업 화학물질들이 어떤 경로를 통해서 효율적으로 생산되는지 한 눈에 알아보는 것을 가능케 한다. 이 지도에는 화학물질들을 생산하는 데에 관여하는 바이오 및 화학반응들에 대한 정보들이 담겨있으며, 각 주요 화학물질의 전구체가 생산되는 해당 미생물 대사경로를 기준으로 정리하였다.

 ㅇ 본 연구에서는 바이오 기반 화학물질 합성 지도에 언급된 화학물질들에 대한 분석도 포함되어 있는데, 여기에는 바이오 내지는 화학반응을 통해 생산된 현재까지의 최고 생산농도, 수율, 생산성, 그리고 산업화 현황 등이 포함되어 있다. 이는 앞으로 어떤 산업 화학물질을 시스템 대사공학을 통해서 생산할지 결정하는 데에 도움을 줄 수 있다.

 ㅇ 본 연구에서는 바이오 기반 화학물질 합성 지도를 준비하는 과정에서 드러난 시스템 대사공학 및 바이오리파이너리 분야의 문제를 언급하고, 이에 대한 해법들을 제시하고 있다. 여기에서는 하나의 화학물질 생산을 산업화 수준으로 성공적으로 이끌어 나가기 위해서는 다양한 분야의 전문성을 갖는 연구진들 간의 유기적인 팀워크, 더욱 강력한 합성경로 예측 프로그램 개발, 바이오매스 원료 외의 다양한 탄소 자원의 활용, 효율적인 발효 전략 및 공정한 이익분배 등을 강조하고 있다.

1. 대사공학 (metabolic engineering)

  ○ 대사 물질의 생산경로 조작을 통해 목적 대사물질의 생산을 최적화 하는 기술을 의미한다. 대사공학은 생산경로 유전자의 과발현, 경쟁경로 유전자의 제거, 또는 외래 유전자의 도입 등을 통해 미생물이 가지고 있는 고유의 대사경로를 변형시킴으로써, 원하는 산물의 생산을 극대화 시키고자 하며, 이 과정에서 컴퓨터 모델링을 비롯한 다양한 공학도구들이 사용된다. 미생물을 이용해 생산 가능한 다양한 화학물질들은 에너지, 식품, 의약, 화장품, 화학산업 등에 널리 활용되고 있다.

2. 시스템 대사공학 (systems metabolic engineering)

  ○ 기존 대사공학적 기법과 시스템생물학, 합성생물학 및 진화공학 기법 등과의 융합을 통해 체계적으로 미생물 대사를 재설계하여 목표 화학물질의 대량생산을 가능하게 하는 학문이다. 이 기술은 2016년 세계경제포럼에서 ‘2016년 10대 떠오르는 기술’에 선정된 바 있다.

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

붙임4

그림설명

 

[그림 1] 바이오 및 화학의 통합된 방법을 통해 생산할 수 있는 대표적인 산업 화학물질 및 이들의 합성경로

미생물을 통해 생산된 화학물질 전구체를 화학적으로 추가로 전환하며 산업적으로 유용한 최종목표 화학물질을 생산한 대표적인 예시들을 정리하였다.