[파퓰러사이언스 이고운 기자] 카이스트(KAIST, 총장 신성철) 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 비식용 바이오매스를 통해 최고성능을 갖는 지방산과 지방산 유도체로 전환하는 미생물 균주와 발효 공정을 개발했다고 19일 밝혔다.

우리나라의 경우 석유를 전량 수입에 의존하기 때문에 환경문제 해결과 원유 대체를 위해서 지속 가능한 바이오 기반 재생에너지의 생산이 필요하다. 이에 재생 가능한 자원 기반 바이오 연료 개발이 활발히 이뤄지고 있다.

그 중 경유를 대체할 수 있는 환경친화적 연료인 바이오 디젤이 있다. 바이오디젤은 주로 식물성 기름이나 동물성 지방의 에스터교환(transesterification) 반응을 통해 만들어지고 있다.

연구팀은 자연적으로 세포 내 기름을 축적하는 것으로 알려진 미생물인 로도코커스(Rhodococcus)를 시스템 대사공학을 통해 대사 회로를 체계적으로 조작해 최고성능으로 지방산 및 바이오 디젤을 생산하는 균주를 개발했다.

먼저 로도코커스의 배양 조건을 최적화한 뒤 포도당을 섭취해 세포 내 과량의 기름인 트리아실글리세롤(triacylglycerol)을 축적하게 했다. 이후 선별한 외부 효소를 도입해 효과적으로 기름을 지방산으로 전환해 최고 농도의 지방산 생산 균주를 개발하고, 지방산을 두 가지 형태의 바이오 디젤 연료 물질로 효율적으로 전환하는 추가적인 유전자 조작을 통해 바이오 디젤을 최고성능으로 생산하는 데 성공했다.

연구팀은 이전에 대장균을 이용해 바이오 연료인 휘발유를 생산하는 미생물 세계 최초로 개발한 바 있다.

그러나 해당 기술은 대사설계에 중심을 둔 최초의 연구이다 보니 생산농도가 리터당 약 0.58g 정도로 매우 낮다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 로도코커스 균주를 이용해 포도당으로부터 리터당 50.2 g의 지방산 및 리터당 21.3 g의 바이오 디젤 생산에 성공했다. 

이러한 성과를 통해 향후 식물성이나 동물성 기름에 의존하지 않고 비식용 바이오매스로부터 미생물 기반 바이오 연료의 대량 생산까지 가능하게 할 것으로 기대된다. 

이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 기술은 화석원료나 식물, 동물성 기름을 원료로 쓰지않고 지구상에 가장 풍부한 리그노셀룰로즈를 원료로 고효율로 지방산과 바이오 디젤 생산하는 것이다."며, "앞으로 환경문제 해결과 더불어 원유, 가스 등 화석연료에 의존해온 기존 석유 화학 산업에서 지속할 수 있고 환경친화적인 바이오 기반산업으로의 재편에 큰 역할을 할 것이다”라고 전했다.

한편, 김혜미박사가 주저자로, 채동언 연구원 등이 참여한 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)」 6월 17일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Engineering of an oleaginous bacterium for the production of fatty acids and fuels)

또한 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제의 지원을 받아 수행됐다.