고려대학교 “분자생물공학 연구실” (이지원 교수)

연구실 개요

고려대학교 화공생명공학과 분자생물공학 연구실(Biomolecular Engineering Lab; http://bmel.korea.ac.kr)에서는 분자편집기술을 활용하여 산업용 효소, 의료용 단백질 등을 활성형으로 대량생산하고 이를 활용하는 응용연구를 중점적으로 수행하고 있다. 특히, 안정성이 뛰어나면서도 표면 구조가 유연한 자가조립(self-assembly) 특성의 단백질 나노입자를 지지체로 활용하는 신기능성 효소 개발, 생산 및 이를 이용한 고부가산물 생산공정 개발에 집중하고 있다. 온실가스인 메탄의 생물학적 전환을 위해 MMO(methane monooxygenase) 및 MMO 계열 효소의 활성도메인 편집을 통해 새로운 구조적/기능적 특성을 지닌 신규 효소 개발을 중점적으로 진행하고 있다. 또한 산업 경쟁력이 있는 생물전환공정 개발을 위하여 미생물 균주기반 바이오 촉매 개발 연구를 진행 중에 있으며 기술사업화를 촉진하기 위해 특허 및 기술이전을 목표로 체계적인 연구를 수행 중이다.

주요 연구내용 소개

1. 단백질 나노입자 지지체 기반 pMMO 활성부위 재조립/재설계

메탄자화균 유래의 효소인 pMMO는 기존 탄화수소의 화학적 산화반응에 비해 온화한 조건에서 폭넓은 탄화수소(C1-C5)의 산화반응을 촉매 할 수 있다. 이에 pMMO를 활성형으로 대량생산하는 연구가 많이 시도되었으나, 단백질을 수용성으로 대량 발현하는 것이 어렵고 활성 도메인의 구조/기능 특성이 정확히 밝혀져 있지 않은 등, 기술적 난이도가 높아 성공한 사례가 없다. 본 연구팀은 분자편집기술을 활용해 pMMO 효소의 활성도메인을 자가조립이 가능한 단백질 나노입자 지지체에 도입하여 나노조립체를 설계하였고, 이를 이용해 대장균 내에서 활성형 효소나노입자의 대량 발현에 성공하였다. (그림 1)

해당 효소는 자연계 효소와 동등한 수준의 높은 메탄전환효율을 보였으며, 하이드로겔 고정화기반 다단계 공정을 적용하여 다량의 메탄올을 생산해 유의미한 성과를 보였다. (그림 2)

2. 단백질 나노입자 지지체 기반 다양한 MMO 계열 효소 유래의 신규효소 개발

위의 단백질 나노입자 지지체 기반 효소개발/개량 플랫폼을 이용하여 sMMO 및 MMO 계열 효소(AMO, BMO) 유래의 활성형 효소나노입자를 개발하는데 성공하였다. 특히, AMO, BMO 등은 아직 구조 및 효소 반응 메커니즘 연구가 미비하여 개발 결과의 임팩트가 클 것으로 판단된다 (그림 3).

해당 효소들은 pMMO에 비해 보다 폭넓은 기질에 대한 반응성을 지닌 것으로 알려져 있어, 메탄뿐만 아니라 다양한 기질을 이용한 부가산물을 생산하기 위한 연구를 수행하고 있다.

3. 산업용 균주 (대장균) 기반 메탄 전환공정 개발

고가의 화학 전자공여체가 아닌 세포 내 NADH를 활용할 수 있는 chimeric 효소를 개발하고 산업용 균주인 대장균 세포 내에서의 효소 반응을 유도함으로써 산업 경쟁력이 있는 최적 메탄전환공정 개발 연구를 계획하고 있다. 즉, 세포 내 산화 반응을 지속적으로 유지하기 위해 세포 내 환원력이 대폭 증진된 균주의 확보, 광촉매 활용 등을 통해 세포 내 전자공여체의 효과적인 재생 전략을 수립함으로써 고부가 탄화수소 생산을 위한 바이오공정 개발 연구도 계획하고 있다. (그림 4)

연구실 현황

분자생물공학연구실은 이지원 교수님의 지도 하에 Nat. Catal. (2019), Nat. Nanotechnol. (2009), Adv. Therap. (2020), Adv. Mater. (2012, 2014, 2017), Adv. Sci. (2017, 2018), ACS Nano (2013), Adv. Funct. Mater. (2010a,b, 2015) 등 세계 최고 수준의 국제학술지에 논문을 지속적으로 발표함은 물론, 47건의 국내외 특허를 등록하고 이를 기반으로 5개 기업으로 신기술을 이전하는 등, 기술의 산업화/실용화를 목표로 연구실 역량을 집중하고 있다.