C1 가스 리파이너리 사업단

한국과학기술연구원 청정에너지 연구센터의 응용산업미생물 연구실

연구실 개요

한국과학기술연구원 (Korea Institute of Science and Technology) 청정에너지 연구센터 (Clean Energy Research Center)의 응용산업미생물 연구실 (Applied and Industrial Microbiology Laboratory)은 절대혐기성 세균인 다양한 클로스트리디움 (Clostridium) 속 균주에 대한 오랜 기간 축적된 기술을 기반으로, 일산화탄소를 포함한 재생 가능한 탄소원으로터 C6 화합물인 hexanoic acid 등의 대사산물을 생산하는 연구를 수행하고 있으며, 이를 위해 다양한 환경시료로부터 일산화탄소의 이용능력과 hexanoic acid의 생산능력이 우수한 클로스트리디움 속 균주를 분리 선별하고, 선별된 균주들의 오믹스 분석과 각 균주에 적합한 유전자 조작 시스템의 개발을 통한 대사경로 조절 및 개발된 플랫폼 클로스트리디움 균주를 이용한 발효공정 개발의 연구를 수행하고 있다.

주요 연구내용 소개

CO 가스 이용 균주 스크리닝

본 실험실은 환경시료로부터 2,3-butanediol 및 butanol 생산 균주 스크리닝 실험을 과거 진행해왔으며, 현재 CO 가스를 기질로 하여 Hexanoic acid를 생산하는 균주를 새롭게 선발하기 위하여 동물의 분변, 하수처리장의 슬러지, 갯벌 및 농가의 흙 등의 샘플에서 균주 분리 및 동정 실험을 진행하고 있다. CO 가스를 selective pressure로 enrichment를 진행하며 분리된 균주들을 pure culture로 가스 발효하여 hexanoic acid를 생산하는지 여부를 GC 분석을 통해 확인하였으며, 해당 균주들을 16s rRNA sequencing 하여 동정하였다. 또한 이 분리 균주들의 CO 가스 발효 조건 최적화를 통해 고수율의 hexanoic acid를 생산하기 위한 연구를 수행하고 있다.

오믹스 분석 및 핵심 유전자·효소 탐색

CO 가스로부터 hexanoic acid를 생산하는 균주의 대사경로 분석 및 핵심 유전자·효소를 탐색하기 위하여 유전체, 전사체 및 대사체 등 오믹스 기반 분석을 수행하고 있다. 또한 오믹스분석을 통해 각 단계별 rate limiting step 판별 및 유전자 과발현, 비활성화 전략을 확립할 수 있으므로 대사공학적 개량을 통한 대사회로의 최적화를 도모하므로써 목표 물질의 효율적인 생산이 가능하게 된다. 혐기성 미생물의 대사체 분석은 대사체 추출 최적화 및 혐기성 미생물에 특화된 대사체 분석 기법이 필요하며, 본 연구에서는 위탁기관인 고려대학교 김경헌 교수 연구팀이 대사체 분석을 수행하고 있다.

클로스트리디움 속 균주의 대사공학

그람 양성의 절대혐기성 세균인 클로스트리디움 속 균주는 그람 양성균 특유의 세포벽 구조에 따른 외부 유전자 전달에 어려움이 있고, 균주에 따라 RM (Restriction Modification) 시스템이 다양하므로 전달된 외부 유전자를 본존하기 위하여 해당 균주의 RM 시스템을 극복해야하며, 일련의 유전자 조작과정이 혐기성 상태에서 운전되어야 하는 등 대사공학을 수행하기 위한 다양한 클로스트리디움 속 균주에 적합한 유전자조작 도구를 개발하는 것은 매우 어려운 과정이다. 따라서 다양한 환경시료로부터 분리된 CO로부터 hexanoic acid의 생산능력이 우수한 각 클로스트리디움 속 균주들에 대한 유전자 조작 시스템을 개발하고 있으며, 개발된 시스템을 이용하여 각 균주에 대한 오믹스 분석에 기반한 hexanoic acid 생산 대사경로를 조절을 수행하고 있다.

연구실 현황

KIST 응용상업미생물 연구실은 엄영순 책임연구원님을 비롯하여 이선미 선임연구원, 공경택 연구원, 포닥, 인턴, 박사/석사과정 학연생 등 총 17명의 실원으로 구성되어 있다.

최근 5년 동안 63편 이상의 논문과 다수의 국내외 특허를 출원/등록하였으며, CO 가스 발효뿐만 아니라 비식용계 바이오매스를 탄소원으로 이용하여 바이오연료/화학원료를 생물학적으로 생산하는 연구도 활발히 수행하고 있다.

C1 가스 리파이너리 사업단의 지원을 받아 ‘CO 포함 부생가스를 이용한 n-C6 유기산 생물학적 생산기술 개발’ 과제를 수행하고 있으며 고려대학교와 상호 협력을 통해 Clostridium균주 오믹스 분석 및 대사공학적 개량 연구를 진행 중에 있다.