울산과학기술원 “합성생물학 및 대사공학 연구실” (이성국 교수)

연구실 개요

이성국 교수님의 합성생물학 및 대사공학 연구실 (Synthetic Biology and Metabolic Engineering Lab) 에서는 값싼 바이오매스로부터 유용한 화학물질을 생산하기 위해 맞춤형 우수 미생물을 개발하는 연구를 진행하고 있다. 또한, 맞춤형 인공미생물 제작을 위해 유전자 발현 조절 시스템과 지놈엔지니어링 기술들을 개발하고 있다. 합성생물학은 생물학적 시스템을 설계하고 구축하기 위해 생물에 공학적 접근과 컴퓨터 과학의 원리를 결합한 학문이다. 이를 통해 복잡한 생물학적 시스템을 합성 또는 개량하여 자연에 존재하지 않는 기능을 부여할 수도 있다. 대사공학은 세포 내 대사 경로를 조작하고 개선하여 특정 화합물의 생산을 극대화하는 것이다. 연구실에서는 Escherichia coli, Pseudomonas spp., Methylorubrum spp., 그리고 Cupriavidus spp. 등의 다양한 미생물을 활용하여 산업적으로 가치가 높은 3-HP (3-hydroxypropionic acid), 지방산 (free fatty acid), 그리고 4-HV (4-hydroxyvaleric acid) 등을 생산하는 연구들이 진행 중이다. 또한, 호열성 미생물인 Cupriavidus cauae PHS1을 활용하여 고온에서 폐플라스틱 (PET, polyethylene terephthalate; PS, polystyrene; HDPE, high density polyethylene)을 분해하고 사용하여 바이오플라스틱인 PHAs (polyhydroxylalkanoates) 및 여러 유용 화학물질로 전환하는 연구도 진행 중이다.

주요 연구내용 소개

1. 합성생물학 기술 개발

1) 유전자 발현시스템 개발
본 연구실은 값싼 바이오매스로부터 고가의 화학물질을 생산하는 것을 중요한 목적으로 삼고 있다. 미생물 내에서 생산량을 극대화하기 위해서는 대사경로 반응 효소 단백질의 세포 내 발현량 조절이 중요하다. 이를 위해 다양한 산업 균주에서 단백질 발현을 조절할 수 있는 여러 유전자 발현시스템을 개발하고 구축하고 있다 (표 1).

2) 지놈엔지니어링 기술 개발
야생형 미생물을 개량하여 산업 균주로 만드는 연구과정에서 새로운 대사 경로를 도입하거나, 기존 대사 경로를 활성화 또는 제거하는 등의 연구에 지놈엔지니어링 기술이 필요하다. 본 연구실에서는 oligo 와 double strand DNA를 이용하는 MAGE (Multiplex Automated Genome Engineering) 기술을 개량하여 사용하고 있다. 또한, 균주의 기질 활용성 강화, 독성 내성 강화, 생합성 향상을 위해 실험실 적응 진화기법 (Adaptive Laboratory Evolution: ALE)을 활용하고 있다 (그림 2).

2. 바이오리파이너리

1) 3-HP (3-Hydroxypropionic acid) 생산
합성생물학 및 대사공학 기술을 이용하여 유용한 화학물질을 생산하는 바이오리파이너리 연구를 진행하고 있다. 그 중, acrylic acid의 생산 등에 활용되는 화학물질인 3-HP 생산을 위해 환원력 공급원인 NADPH의 공급을 증가시킬 수 있는 대사경로를 도입하였으며, 중간대사물의 원활한 공급을 위해 경쟁경로를 제거하였다. 또한, 생산 과정에서 필수적인 주요 효소의 활성을 증가시키는 연구를 수행하고 있다 (그림 3).

2) 지방산 생산
지방산 생산량 극대화를 위한 연구에서는 복합 당 대사경로 도입, 환원력 공급 및 제어, 그리고 탄소흐름 최적화 등의 연구를 진행하고 있다. 최근 세계 최고 수준인 34 g/L의 지방산 생산량을 달성하였다. 현재는 기존 생산량을 뛰어넘는 지방산 생산을 위해 여러 추가 연구들이 진행되고 있다. 이를 위해 세포 성장과 지방산 생산을 분리하기 위해 자일로오스와 포도당 대사 경로가 분리되어 사용될 수 있도록 대사흐름을 조절하고 있다. 또한, 환원력을 공급하는 효소의 발현 조절을 통해 환원력 제어하고, 글로벌 전사인자의 발현을 조절하여 지방산 생산에 영향을 미치는 유전자의 발현량을 최적화하여 균주 내의 탄소흐름 최적화 연구를 수행 중이다 (그림 4).

3) 4-HV (4-Hydroxyvaleric acid)생산
리그노셀룰로오스의 분해 산물인 레불린산 (Levulinic acid:LA)을 활용하여 고부가가치산물인 4-HV를 생산하는 연구가 진행 중이다. 이 연구에서는 기존의 생산경로를 개선하여 효소 및 에너지 사용을 최소화할 수 있도록 단일 효소반응으로 4-HV를 생산할 수 있는 경로를 개발하였다. 또한, 이 과정에서 필요로 하는 환원력 공급을 위해 CbFDH를 전환 효소 3HBDH를 함께 사용하여 전세포 전환을 가능하게 하였다. 이러한 연구 결과로 100 g/L의 4-HV 생산량을 달성하였다 (그림 5).

3. 바이오플라스틱 생합성 및 폐플라스틱 업사이클링

호열성 미생물인 Cupriavidus cauae PHS1을 이용하여 전분계 및 리그노셀룰로오스 바이오매스와 폐식용유 등을 사용하여 바이오플라스틱의 소재인 PHAs를 생산하고 있다. 또한, 폐플라스틱 분해 산물을 균주 내에서 새로운 생분해 바이오플라스틱을 생산하는 폐플라스틱 선순환을 위한 업사이클링 연구를 진행하고 있다. PET를 비롯하여 PS, HDPE 등 3종의 폐플라스틱을 대상으로 하며 이들 플라스틱을 생분해 및 화학 분해 과정을 거쳐 미생물 내에서 유용 화학물질로 전환하는 대사경로를 구축하고 있다. 이 연구에 사용되는 호열성 미생물은 고온성 플라스틱 분해효소의 활성을 유지할 수 있다는 장점을 가지며, 단일 미생물에서 플라스틱 분해와 유용 화학물질로의 전환까지 가능하다는 점에서 다른 미생물보다 높은 활용도와 가치를 지닌다 (그림 6).

울산과학기술원 생물화학공학 연구팀 소개

울산과학기술원의 에너지화학공학과에서는 박성훈 교수님, 이성국 교수님, 김용환 교수님, 그리고 김동혁 교수님 총 4분이 생물화학공학 분야의 연구를 수행하고 있다. 이들 교수님들은 각각 생물화학공학, 합성생물학 및 대사공학, 효소 및 단백질공학, 그리고 시스템생물학 및 머신러닝 연구실을 이끌고 있다 (그림 7).

연구실 현황

합성생물학 및 대사공학 연구실은 석박사과정 학생 5명, 석사과정 학생 4명, 연구교수 1명, 박사후연구원 1명, 석사급 연구원 1명으로 교수님 포함 총 13명으로 구성되어 있다 (그림 8). 현재까지, 국외 논문 71건 발표, 특허출원 및 등록 55건, 기술이전 2건 등의 우수한 연구 성과를 달성하였다. 현재는 연구재단 과제 3건 (기초과학연구실 지원사업, C1 가스 리파이너리사업, 친환경 바이오기반 기술개발사업), 동그라미 재단 과제 1건 (혁신 과학 프로젝트과제), 그리고 한국산업기술진흥원 과제 1건 (스마트특성화기반구축사업) 등 총 6건의 과제를 수행하고 있다.