한국해양과학기술원 해양바이오 연구센터의 해양극한미생물 연구실

연구실 개요

한국해양과학기술원 (Korea Institute of Ocean Science and Technology, KIOST) 해양바이오 연구센터 (Marine Biotechnology Research Center)의 해양극한미생물 연구실은 심해, 열수구, 극지, 갯벌, 염전 등 다양한 해양 환경에 서식하는 미생물 자원을 확보하여, 저온, 고압, 고염, 빈영양, 고온, 혐기 등의 극한 환경에 적응함으로써 획득한 특이 생체구조 및 생명 기능을 연구함으로써 새로운 생명현상을 이해하고 고부가가치 신소재를 개발하는 연구를 수행하고 있다.
본 연구실은 일산화탄소 (CO), 개미산 (formate) 등 C1 화합물을 이용하는 미생물을 분리 배양하는 시스템, 특히 사람뿐만 아니라 미생물에게도 유독한 가스인 CO를 다룰 수 있는 안전장치와 시설을 구축하고 있다. 또한 혐기적 조건을 유지하는데 필요한 기술과 시스템을 갖추고 있으며 가스 발효 공정 기술을 겸비하고 있다. 미래창조과학부 지원사업으로 ‘C1 가스 리파이너리 사업단’ 세부과제로, 이산화탄소 고정 미생물들 중에서 아세토젠 (acetogen)을 대상으로 CO를 이용하여 2,3-butanediol (BDO)을 생산하는 연구를 수행하고 있다.

주요 연구내용 소개

원천 미생물 확보를 위한 균주 스크리닝

현재까지 보고된 CO 이용 2,3-butanediol 생산 균주는 몇 주 되지 않지만, Coskata, INEOS Bio, LanzaTech 회사들의 특허 균주로 바이오케미컬 생산 생촉매로 이용되고 있다. 향후 상업적 목적으로 활용할 될 수도 있는 신규 원천 균주를 확보하기 위해 갯벌, 논, 하천, 습지, 동물 분변, 저수지 등 다양한 환경 시료를 채집하여 아세토젠 배양 조건으로 구축된 혐기 배양 시스템에서 농후배양 (enrichment)을 통하여 균주 분리를 시도하였다. GC, HPLC 장비를 활용하여 CO 소모 속도가 높고 BDO 생산성이 높은 균주들을 선택하여, 유전체 염기서열 분석을 수행하고 ANI (average nucleotide identity) 값을 기준으로 하여 신종 균주들을 확보하였다. 기존에 보고된 균주들이 동물 분변에서 분리된 것과는 달리 갯벌, 습지, 논 등에서 균주들을 스크리닝한 것이 효과적이었다. [그림 1]

균주 개량 위한 적응 진화 (adaptive evolution) 유도

서식 환경 조건에 적응되어 있는 야생 균주는 대체로 기질 이용성, 산물 생산성이 높지 않다. 이 균주를 산업적으로 활용하기 위해서는 활성이 높은 균주로 개량해야 한다.
‘적응 진화’ 방법은 실험실에서 균주의 진화를 유도하는 방법으로서 기존의 고전적인 유전공학적 개량보다 시간이 오래 걸리지만 예측을 뛰어넘는 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이 방법을 적용함에 있어서 시간을 단축시키는 방안으로서 CO 농도를 점차적으로 증가시켰다. CO에 대한 저항성을 높이고 BDO 생산성도 증가된 균주를 선별한 후에는 배양기를 이용하여 CO를 충분히 공급해 주어 성장과 BDO 생산성을 증가시킬 수 있는 조건을 탐색하고자 한다. [그림 2]

대사공학적 균주 개량 연구

분리한 아세토젠을 대상으로 외래 유전자 도입, 대사경로상 유전자 변이 등 연구를 수행하기 위해 벡터 등 유전학적 도구를 확보하고 유전자 도입 방법을 다각도로 모색하고 있다. 유전자 편집 기술 중 하나인 CRISPR/Cas9 시스템을 아세토젠에 맞도록 구축하고, BDO 생산 경로 유전자들의 과발현을 통한 효소 활성 증가, Rnf complex와 ATP synthase의 프로모터 교체로 성장 증가, perR 유전자 소실로 산소 내성 증가, 에탄올 생성 경로 억제로 BDO 생산성 증가를 통해 우수균주를 확보하기 위한 연구를 수행하고 있다. [그림 3]

배양공정 개발 통한 균주 생산성 증가 연구

CO 전환 BDO 생산 균주를 이용하여 serum vial 수준의 기초연구뿐만 아니라, 한국해양과학기술원 가스 발효 실증실 내 구축된 1.5 L, 7 L, 30 L, 300 L 등 다양한 용량의 세포배양기를 활용하여 공정 개발 연구를 수행할 수 있는 시스템을 갖추고 있다. 배지 조건 및 배양 조건 최적화 연구, 대사산물 생산 parameter 분석, 가스 기질 효과적 공급방안 고찰 등 기초적인 프로세스 기술 개발을 통해 다양한 CO 함유 산업부생가스를 원료물질로 BDO 생산 연구를 수행할 수 있다. [그림 4]

연구실 현황

본 연구실에서 수행 중인 ‘C1 가스 리파이너리 사업단’ 과제는 세부과제 책임자를 맡고 있는 이현숙 박사를 중심으로 책임연구원 3명, 선임연구원 1명, 연수연구원 2명, 박사과정 학생 1명, 석사과정 학생 2명, 전임연구원 3명, 행정원 2명이 균주 분리 및 특성 분석, 유전학적 균주 개량, 배양공정 개발, 행정 지원 등 각자 역할을 분담해서 효율적으로 수행하고 있다.
특이한 생리적 특성을 갖는 새로운 미생물을 대상으로 하여 산업적으로 유용한 대사산물을 고농도로 대량생산하는 기술은, 생물체의 유연성과 가능성을 기반으로 오랜 연구를 필요로 하는 매우 정교한 기술이다.
이에 따라 연구원들도 자신의 역량을 발휘함에 있어서 세계적 수준을 기준으로 기술 개발을 하고자 뜨거운 열정으로 연구에 전념하고 있다.