KAIST 대사 및 생물분자공학 연구실

연구실 개요

KAIST 대사 및 생물분자공학 연구실 (Metabolic & Biomolecular Engineering National Research Laboratory)에서는 온실가스인 이산화탄소와 C1 가스로부터 전환된 개미산을 활용하는 플랫폼 박테리아 균주를 개발하고 이를 이용하여 개미산과 이산화탄소를 유용한 산업 화합물로 전환하는 박테리아 균주 구축 및 발효 공정의 개발을 진행하고 있다. 먼저, 개미산 및 이산화탄소를 산업 화합물로 전환하는 플랫폼 균주를 개발하기 위해 고효율의 개미산 및 이산화탄소 동화 대사회로를 개발하고 있으며, 후보 유전자군을 선정하고 해당 유전자군의 효소들을 이용하여 열역학적 타당성, 효소 효율, 에너지 효율성을 고려해 신규 대사회로를 설계하고 균주에서의 검증 및 해당 균주의 인실리코(in-silico) 모델을 통해 효율 평가를 진행하고 있다. 더하여 탄소 동위원소 대사 흐름체 분석 기술을 통해 대사 경로를 직접적으로 분석하고 확보된 데이터는 시스템 대사공학 (Systems metabolic engineering) 기법에 활용되어 대사회로의 효율 향상으로 이어진다. 최종적으로는 이와 같이 개발된 플랫폼 균주를 이용하여 동화한 개미산과 이산화탄소를 유용한 산업 화합물로 전환하기 위해 시스템 대사공학 기법을 이용한 균주 개량 연구와 개량된 균주를 이용한 발효 공정을 최적화 하여 개미산과 이산화탄소를 이용하여 산업 화합물을 생산하는 총체적인 시스템을 구축하는 연구를 진행하고 있다.

주요 연구 내용 소개

1. 우수한 개미산 및 이산화탄소 동화능을 가진 대사회로 개발 본 연구실은 C1 가스로부터 쉽게 전환되고 좀 더 미생물에서 활용 가능성이 높은 개미산을 이용하여 자연계에 존재하는 개미산 및 이산화탄소 동화 대사 회로보다 우수한 동화효율을 보이는 대사회로를 개발하고 있다. 이를 위해, 반응 속도 제한이 발생하는 대사과정을 파악하고 해당 대사과정을 촉매하는 효소들을 유전자원 데이터베이스로부터 확보하여 후보 유전자군을 구축한 뒤, 실험을 통해 검증하여 우수한 효과를 보이는 유전자를 선별하고 있다. 설계한 대사회로는 열역학적 타당성, 대사회로를 구성하는 각 효소들의 효율 및 대사회로 전체의 에너지 효율성 세 가지 요소를 통해 평가하여, 기준에 부합하는 대사회로를 선별하고, 모델 미생물에 구축하여 실제 효율 평가를 13C 동위원소를 활용해 진행하고 있다.

2. 개미산 및 이산화탄소 동화능을 가진 대장균 개발 개미산 및 이산화탄소 동화능을 가진 대장균 개발은, 개미산 및 이산화탄소 대사회로 설계와 이 대사회로를 적용한 플랫폼 균주 개발 두 단계로 진행된다. 대사회로 설계는 선행 연구에서 보고된 개미산 및 이산화탄소 동화 대사 회로를 개량하거나, 신규 개미산 및 이산화탄소 동화 대사회로 제작을 통해 진행된다. 개발한 개미산 및 이산화탄소 동화 대사회로를 기반으로, 시스템대사공학 기법을 이용한 균주의 총체적 분석 및 개미산 및 이산화탄소 동화에 적합하도록 균주의 중심 대사회로 조절, 적응진화 기법을 이용한 균주의 개량 등 다양한 측면의 연구를 통해 최종적으로 본 연구진은 개미산 및 이산화탄소를 탄소원 및 에너지원으로 삼아 성장하는 플랫폼 균주 개발을 목표로 한다.

3. 개미산과 이산화탄소를 유용화합물로 전환하는 플랫폼 균주 개발 및 발효 공정 구축 본 연구진은 개미산 및 이산화탄소를 고효율로 동화시킬 수 있는 신규 대사회로 개발 후, 개미산 및 이산화탄소를 숙신산, 말릭산과 같은 산업 화합물로 전환하는 플랫폼 균주를 제작할 것이다. 신규 대사회로에 의해 동화된 탄소원을 산업 화합물로 효율적으로 전환시키기 위해, 개미산과 이산화탄소 활용 및 C4 화합물 생산에 관여하는 핵심 효소들의 3차원 입체 구조를 기반으로 한 효소 공학 기법을 도입해 대사회로 개량 연구를 진행하고 또한, 개발된 개미산 및 이산화탄소 이용 미생물의 생산성 및 생리 분석을 위한 실험실 수준 발효 결과를 바탕으로, 대사회로 최적화를 진행하고 있으며, 미생물의 생산능력을 극대화하기 위하여 발효공정상의 변수들을 최적화할 것이다. 더불어 산업화를 위한 실증 실험을 위해 30 L 규모의 발효를 진행할 것이다.

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