고려대학교 김경헌 교수 연구실

연구실 개요

김경헌 교수 연구실에서는 물리화학, 생화학, 분석화학, 미생물학, 분자생물학 등의 기초과학과 화학공학 및 생물화학공학, 식품공학 등의 공정 이론을 융합한 생물공정 개발 및 시스템 생물공학 연구에 주안점을 두고 있다. 김경헌 교수님 연구실의 연구 분야는 크게 해조류를 기반으로 식품 및 바이오소재의 개발과 생산에 적용하는 바이오매스 분야와 다양한 질병의 병인학 규명 및 진단의 바이오마커를 발굴하는 대사체학 분야가 있다.
바이오매스 연구의 경우, 화학적 전처리 및 대사공학에 의해 개량된 균주를 사용하여 홍조류 및 갈조류를 AHGol, isosorbide 등의 고부가가치 산물로 전환하는 화학적/생물학적 공정 개발 연구를 진행하였으며, 관련 연구를 Green Chemistry, ACS Sustainable Chemistry& Engineering, Biotechnology for Biofuels, Renewable Energy 등의 국제 저널에 다수 게재하였다. 현재는 한국화학연구원과 공동으로 연구를 진행하여 플라스틱을 분해하여 생물학적으로 고부가가치화하는 연구를 수행 중이다.
대사체학 연구는 류마티스 관절염, 통풍, 베체트병 등의 다양한 질환을 진단할 수 있는 바이오마커 발굴 및 병인학을 완전히 규명하기 위한 단서를 제공하는 연구를 진행하였다. 또한 시스템 생물학적 접근에 기반하여 미생물을 이용한 물질 생산에서 문제점 발굴 연구를 진행하였으며, C1 가스의 고부가가치 화학물로 생물학적 전환 등에 응용된 바 있다. 관련 연구는 Joint Bone Spine, Clinical and Experimental Rheumatology, International Journal of Molecular Sciences 등의 국제 저널에 다수 게재 및 미국, 중국, 일본 등에 국제 특허 성과를 내었다. 현재는 고려대 이성준 교수님 연구실과 공동으로 진행 중인 기초연구실지원사업을 통해서 생물학계의 가장 큰 화두인 장관 내 마이크로바이옴과 분변 대사체 간의 상관관계를 분석하여 마이크로바이옴 치료제 등의 개발 연구를 수행 중이다.

주요 연구내용 소개

1. 바이오매스 연구

1) 바이오매스로부터 화학적/생물학적 공정을 통한 분해 및 고부가 기술 개발
홍조류나 갈조류와 같은 해양유래 바이오매스를 화학적/생물학적 공정을 통해 분해하고, 대사공학적 기법을 통해 고부가화 하는 연구를 진행하고 있다. 효율적인 분해 공정 설계를 위해 신규 분해효소를 스크리닝 하고, 고부가화를 위해 미생물 내에서 해조류 유래 당의 대사경로를 규명하는 연구를 수행했다. 한 가지 예로 홍조류의 주성분인 아가의 활용성을 높이기 위해 플랫폼 화합물인 AHGol 및 isosorbide로 전환하는 연구를 수행했다 (그림 1). 해당 연구결과는 2020년 Green Chemistry에 발표되었다.

2) 화학적/생물학적 방법을 이용한 플라스틱의 분해 및 고부가 기술 개발
플라스틱의 한 종류인 Polyethylene terephthalate (PET)를 화학적/생물학적 방법을 통해 분해하고, 고부가가치 산물로 전환하는 연구를 진행하고 있다. PET를 자원화하기 위해 화학적 분해 방법(Hydrolysis/Glycolysis)과 생물학적 분해 방법(PET 분해 효소 처리)을 병행하는 공정을 설계했고, 분해산물을 소재화하기 위해 대사공학을 기반으로 vanillic acid, gallic acid, muconic acid를 생산하는 연구를 진행했다. 2019년에는 ACS Sustainable Chemistry& Engineering에 재조합균주를 이용한 전세포 전환 기술로 PET를 다양한 소재물질로 전환한 결과를 발표하였다 (그림 2).

2. 대사체학 연구

1) 류마티스성 질환의 바이오마커 발굴 및 병인학의 단서 제시
류마티스성 질환은 자가면역 혹은 자가염증성 질환으로 다양한 요인에 의해 질병이 유발되므로 질병의 원인이 불분명하며, 진단에 특이적인 바이오마커가 없다. 본 연구실에서는 대사체학을 통하여 류마티스관절염의 중증도에 따라서 증감하는 대사물질을 발굴하고 병인학을 밝히는 단서를 제공하였다. 또한 베체트병, 통풍 등에 특이적인 대사물질을 최초로 발굴하여 조기 진단을 가능하게 하는 바이오마커를 제시하였다 (그림 3). 이는 Clinical and Experimental Rheumatology, Joint Bone Spine, International Journal of Molecular Sciences 등의 저널에 게재되었으며 국내외 특허에 등록 및 출원되었다.

대표 연구 성과

1. Yang, Jungwoo, et al. Isobutanol production from empty fruit bunches. Renewable Energy, 2020.

2. Kim, Dong Hyun, et al. Biological upgrading of 3, 6-anhydro-l-galactose from agarose to a new platform chemical." Green Chemistry, 2020.

3. Yu, Sora, et al. Molecular and enzymatic verification of the dual agarolytic pathways in a marine bacterium, Vibrio sp. strain EJY3." Applied and Environmental Microbiology, 2020.

4. Kim, Hee Taek, et al. Biological valorization of poly(ethylene terephthalate) monomers for upcycling waste PET. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019.

5. Kim, In Jung, et al. Enzymatic synthesis of l-fucose from l-fuculose using a fucose isomerase from Raoultella sp. and the biochemical and structural analyses of the enzyme. Biotechnology for Biofuels, 2019.

6. Kim, Dong Hyun, et al. Pretreatment and enzymatic saccharification of oak at high solids loadings to obtain high titers and high yields of sugars. Bioresource Technology, 2019.

7. Kim, Dong Hyun, et al. A novel β-glucosidase from Saccharophagus degradans 2-40 T for the efficient hydrolysis of laminarin from brown macroalgae. Biotechnology for Biofuels, 2018.

8. Ahn, Joong Kyong, et al. Variation in the synovial fluid metabolome according to disease activity of rheumatoid arthritis. Clinical and Experimental Rheumatology, 2020.

9. Ahn, Joong Kyong, et al. Potential metabolomic biomarkers for reliable diagnosis of Behcet's disease using gas chromatography/time-of-flight-mass spectrometry. Joint Bone Spine, 2018.

10. Kim, Sooah, et al. Evaluation and optimization of metabolome sample preparation methods for Saccharomyces cerevisiae. Analytical Chemistry, 2013.

연구실 현황

고려대학교 식품생물공학연구실은 김경헌 교수를 비롯하여 연구교수 4명, 박사과정 5명, 석사과정 9명 등 총 18명의 실원으로 구성되어 있다. 2020년 현재, SCI 급 논문 총 244편 게재(교신저자 146편), 국내특허 등록 64건, 해외특허 등록 24건, 국내외특허 출원 중 74건 등의 우수한 연구 실적을 올리고 있다.