UNIST 박성훈 교수님 연구실

연구실 개요

울산과학기술원 박성훈 교수님의 생물공학연구실 (Biochemical Engineering Lab)에서는 유기산, 알코올, 락톤 등 원료물질의 미생물 생산 연구를 수행하고 있다. 이들은 정밀화학, 화장품, 식품, 의약, 전자 산업 등에 많은 용도를 가지고 있습니다. 이 화학물질을 생산하는 생촉매 (균주 및 효소)를 개발하기 위하여 유전자 재조합 및 유전체 개량 기술, 대사공학, 효소공학, 합성생물학, 생물정보학, 생물반응기 기술을 연구하고 있다. 모든 연구는 상업화를 목적으로 관련기업과 긴밀한 협력 하에 진행되며 현재 목표로 하는 대사산물은 다음과 같다.

주요 연구 내용 소개

1. C1 가스 전환 3-HP 및 수소 생산

3-HP 생산

3-HP는 젖산의 이성질체로 다양한 범용 제품(기저기, 도료, 안료, 섬유 등)의 생산에 사용될 수 있다 (세계 시장 11조원 규모). 지난 10여년간 본 연구실에서는 글리세롤을 원료로 3-HP를 생산하는 균주와 공정을 개발하여 왔고, 개발된 기술은 수요기업인 ㈜ 노루홀딩스에 기술 이전된 바 있다. 현재 상업생산을 목표로 발효공정 최적화, 스케일 업, 경제성 분석 등을 진행하고 있다. 글리세롤을 원료 물질로 이용할 경우 2개의 효소가 필요하며 또한 각각의 효소에 대하여 1개씩의 조효소가 필요하다. 최적의 효소와 이를 발현하는 균주를 찾고 유전자 발현 및 조절, 효소, 에너지 생산이나 조효소 재생 등 미생물 대사, multi-omics 시스템 연구 등 다양한 연구가 수행되었다.

또한, ‘C1 가스 바이오리파이너리 사업단’의 지원으로 C1 화합물인 일산화탄소 혹은 이로부터 합성되는 아세테이트를 이용한 3-HP 생산 공정이 연구되고 있다. C1 가스로부터 생산되는 바이오 화합물은 원료의 특성상 벌크 화합물이라야 하고 또한 산화 정도가 높은 산이 바람직하다. 또한 인체와 접촉하는 생활 용품일 경우 석유화학 제품보다 시장에서의 수용성이 크다. 이런 점에서 3-HP, 혹은 이를 전환해서 생산되는 아크릴 산은 장점이 있다.

본 연구실에서는 부생가스로부터 3-HP 생산하는 기술에 관하여, (i) 일산화탄소 직접 전환을 통한 아세토젠 이용 3-HP 생산과 (ii) 1단에서 아세트산 생산 후 이를 전환하는 2단 공정 이용 3-HP 생산에 대하여 이미 특허를 출원 (10-2017-0117097) 하고 효율적인 균주와 공정의 개발을 위해 노력하고 있다. 이 경우 목표는 글리세롤이나 당을 원료로 하는 공정과 경쟁하는 것이다. 2단 공정의 경우 사업단 내 아세트산 생산은 물론 포름산 생산을 목표로 하는 과제와 협력 연구가 가능하다는 장점이 있다. 포름산은 3-HP 생산 시 환원력 재생에 유용하다.

가스 발효 생물학적 수소생산

본 연구실에서는 약 25년간 메탄, 수소, styrene 등 가스를 원료로 사용하는 미생물 공정 연구를 진행하고 있다. 수성가스 전환반응을 통한 수소 생산을 위하여 신규 균주 screening 및 특성 조사, 수성가스 반응에 관여하는 Carbon monoxide dehydrogenase (CODH)의 클로닝 및 발현, 효소의 특성 조사, 대사공학 및 합성생물학 기반의 미생물 촉매 개발, 기체 기질에 적합한 미생물 촉매 반응 등을 연구하고 있다. 특히, 통성 혐기성이고 유기 탄소원에서 고농도 성장이 가능한 Citrobacter는 균주의 분리로부터 반응기 연구까지 본 연구실에서 심도 있게 진행된 바 있다.

2. 생물학적 1,3-PDO 생산

생물학적 공정의 경우 글리세롤이나 포도당이 원료로 사용된다. 미국 DuPont과 Genencor 사는 균주로 대장균, 원료로 포도당을 이용하는 PDO 생산공정을 개발하여 2000년대 중반 당시의 화학공정을 완전히 대체한 바 있다. 바이오 1,3-PDO는 그 자체로 중요한 화장품 원료이다. 또한 Terephthalic anhydride와의 공중합을 통해 생산되는 PTT (poly trimethylene terephthalate)는 카펫, 의류 등의 중요한 원료물질이다.
본 연구실에서는 포도당 및 글리세롤을 원료로 1,3-PDO를 생산하는 미생물 촉매(microbial cell factory)와 공정을 개발하고 있다. 목표는 중요한 조효소인 비타민 B12를 자체적으로 생산하는 균주를 사용하여 기존 DuPont 사의 상업화된 공정의 경제성을 향상시키는 것이다. 또한 화장품 원료의 경우 GRAS 균주를 사용하여 시장과 수요자의 수용성을 향상시키고자 한다.

3. 생물학적 γ-Lactone 생산

락톤은 향료, 화장품, 유기용매, 특수 용제, 고분자 단량체 등 정밀화학 분야에 사용되고 있다. 현재는 주로 고온 고압 조건에서 중금속 촉매를 이용하는 복잡한 화학공정으로 생산된다. 생물학적 공정의 경우 재생가능 원료를 사용하고 공정이 환경친화적이며 더 나아가 광학적으로 순수한 화합물을 생산할 수 있다는 여러 가지 장점이 있다. 본 연구실에서는 산학연 연구진과의 긴밀한 협업을 통해 탄소수 4개 및 5개의 락톤 화합물을 생산하는 미생물 촉매(microbial cell factory)와 공정을 개발하고 있다. 특히 C1 화합물인 포름산과 3-HP의 결합을 통해 C4 락톤을 생산하는 경로를 연구 중이며 이 경우 C1 화합물의 상업적 응용 범위를 크게 확장시킨다. 앞서 3-HP나 1,3-PDO의 경우와 같이 유전자, 효소, 대사, multi-omics 등 미생물 촉매 개발의 각종 tool이 사용되며 분리 정제, 전환, 용도 개발은 수요 기업과 공동으로 진행하고 있다.

연구실현황