Hahn Lab - Biomolecular Engineering Laboratory

연구실 개요

서울대학교 생물분자공학연구실은 세포의 대사 조절 네트워크의 규명과 재설계를 통한 유용미생물 균주의 개발을 목표로 하고 있다. C1 가스리파이너리 사업단에서는 대사공학을 이용한 메탄전환 균주 개발 과제에 참여하고 있으며, 이와 더불어 효모 (Saccharomyces cerevisiae)를 기초 및 응용 연구의 주된 모델 시스템으로 사용하고 있다.

주요 연구내용 소개

미생물의 대사공학을 이용한 유용 화학물질 생산

미생물 대사 또는 효소 반응 등을 이용해 연료 및 화학 물질을 생산하는 바이오리파이너리 (biorefinery)는 지속가능성을 추구하는 시대적 요구와 맞물려 그 중요성과 성장 가능성이 주목 받고 있다. 분자생물학과 유전공학 기술의 눈부신 발달에 힘입어 미생물의 대사경로를 조작하여 원하는 목적산물을 효율적으로 생산하고자 하는 대사공학은 산업적으로 유용한 균주 개발에 활발히 이용되고 있다. 본 연구실에서는 대사공학을 이용하여 피르부산 유래의 유용 화학물질 (2,3-butanediol, acetoin, isobutanol, lactic acid) 및 아이소프레노이드 (isoprenoids) 계열의 유용 화학물질 (lycopene, ginsenosides)을 효율적으로 생산 할 수 있는 효모 및 메탄자화균 균주를 개발하고 있다 (그림 1).

1) 메탄자화균 (methanotroph)의 대사공학을 통한 젖산 생산

메탄자화균은 호기적인 환경에서 메탄을 유일 탄소원과 에너지원으로 사용할 수 있는 세균으로, 이를 이용하여 메탄가스를 메탄올이나 다양한 고부가 화학물질로 전환하고자 하는 연구가 최근 주목받고 있다. 그러나 메탄자화균의 느린 성장속도와 유전자 조작 기술의 한계로 인해 메탄자화균의 유전자 조작을 통한 유용 화학물질 생산연구는 매우 초기 단계에 머물러 있다. 본 연구실에서는 효율적인 메탄자화균 유전자 조작 기술을 개발하고, 이를 바탕으로 메탄자화균의 대사공학을 통해 메탄으로부터 바이오 플라스틱의 단량체로 사용되는 젖산 (lactic acid) 생산을 위한 원천기술을 개발하고자 한다 (그림 2).

2) 효모의 대사공학을 통한 유용 화학물질 생산

효모 (S. cerevisiae)는 진핵생물의 모델 시스템으로 생물학적 지식과 유전적 정보가 잘 알려져 있고 유전자 조작을 위한 다양한 기술들이 개발되어 있어 대사공학을 위한 플랫폼 균주로 이점을 지닌다. 또한 GRAS (Generally Recognized as Safe)로 분류되는 안전한 미생물이며 세균에 비해 낮은 pH, 삼투압, 고농도의 포도당 등에 대한 저항성이 높아 산업 균주로서의 커다란 장점을 가지고 있다. 본 연구실에서는 S. cerevisiae의 대사공학과 adaptive evolution 등을 통해 다양한 유용 화학물질들을 생산하고 있다 (그림 1).

세포 성장과 스트레스 조절 기작 규명 및 스트레스 저항성 효모 균주 개발

본 연구실에서는 환경 변화에 따른 효모의 항상성 조절 과정을 분자수준에서 이해하고, 이를 산업적으로 활용하는 연구를 수행하고 있다. 영양소가 풍부한 조건에서의 세포 성장은 단백질 생산 공장인 리보좀의 생성과 mRNA로 부터의 단백질 합성을 기반으로 한다. 반대로 영양소 고갈 또는 다양한 스트레스 (고온, 삼투압, pH, 산화적 스트레스, 에탄올) 조건에서는 리보좀 생성이 억제되고, 스트레스 단백질이 발현되며 세포의 성장이 정지된다. 본 연구실에서는 S. cerevisiae에서 이러한 일련의 과정에 관여하는 인산화 효소와 이에 의한 전사조절인자의 조절기작을 규명함으로써, 영양소 및 스트레스 조건에 따른 세포 성장, 대사 조절 및, 스트레스 반응의 신호전달과정을 연구하고 있으며, 이러한 정보는 효율적인 화학물질 생산을 위한 스트레스 저항성 균주 개발에 활용하고 있다.

연구실 현황

현재 박사 후 연구원 2명, 석박통합과정 9명, 석사과정 학생 1명이 효모와 메탄자화균의 대사공학 연구를 활발히 수행하고 있다. 이러한 연구를 통해 최근 5년 동안 23편의 국제학술논문을 게재하였으며 8건의 국내 특허 및 1건의 PCT 특허를 출원·등록 중이다 (사진 1).