[이미디어= 황원희 기자] 한국생명공학연구원이 미국 일리노이 대학과의 공동연구로 합성생물학 생태계를 이용해 보다 효율적으로 바이오 연료를 생산할 수 있는 기술을 개발하였다.

▲글루코스 및 자일로스 전문 효모 제작(제공=생명연)

한국생명공학연구원(이하 생명연)은 합성생물학연구센터 신종혁 박사가 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스(University of Illinois Urbana-Champaign, 이하 UIUC) 진용수, Ting Lu 교수팀과 공동으로 미생물 생태계에서 효모 균주 간 역할 분담을 최적화하는 기술을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

자연계의 미생물은 홀로 존재하지 않고, 군집을 이뤄 생태계를 구축해 살아가며, 그 안에서 역할 분담(Division of labor, DOL)과 상호작용을 하며 단독으로 있을 때 보다 우수한 기능을 발휘한다. 

이를 통해 극한 환경에서 살아남기도 하고, 단일 균주가 소비하기 어려운 탄소원을 소비하며 산업적 이용가치를 높여주기도 한다. 

최근 기후변화에 대한 우려로 바이오매스에서 친환경 바이오 연료를 생산하는 생물 발효와 바이오 화합물을 생산하는 세포공장 등의 바이오에너지 기술에 대한 관심이 높다.

미생물을 산업적으로 활용하기 위한 합성 미생물 생태계를 구축하기 위해서는 자연계 미생물 생태계 모사 전략이 중요하지만, 합성 미생물 생태계 내의 미생물 간 역할을 분담하고 상호작용을 할 수 있게 하는 체계적인 설계 방법이 아직 개발되지 않아 한계가 있었다.

이에 연구팀은 합성 미생물 생태계 내의 균주 간 역할 분담을 최적화하여 원하는 기능을 수행할 수 있는 합성 미생물 생태계 플랫폼을 개발하였다. 

연구팀은 나무와 같은 목질계 바이오매스에 풍부하게 존재하는 글루코스와 자일로스를 각각 소비하는 전문 균주 9종을 제작하고, 이를 혼합하여 미생물 생태계를 구축하였다. 그리고 구성 균주의 시작 농도를 바꿔 특정 당의 소비 속도를 세밀하게 조절할 수 있고, 구성 균주의 접종 시간을 조절해 에탄올로 인해 저해 받는 자일로스 발효의 효율을 최적화할 수 있는 플랫폼을 구축하였다.

나아가 효모 균주들이 서로 역할을 분담하여 복합당을 보다 효율적으로 발효하는 모델도 개발하였다.  연구팀은 자일로스가 먼저 발효되도록 바이오매스 발효 프로세스를 개선해 바이오 연료 생산량을 약 2배 이상 증가시켰다.

교신저자인 UIUC 진용수 교수는 “이제 바이오연료 및 유용물질 생산을 위한 합성생물학 기술이 단일 미생물 균주의 개량을 넘어 상보적인 대사기능을 수행하는 다수의 미생물을 동시에 개량함으로써 생물 전환 공정의 효율을 높이는 단계로 발전할 것”이라고 전망했다.

제1저자인 생명연 신종혁 박사는 “기존의 미생물 생태계는 균주 간 역할 분담 조절의 어려움으로 인하여 산업적으로 응용되기 어려웠다.”라며,  “이번 연구는 미생물 생태계의 산업적 적용 가능성을 제시하였고, 더 나아가 합성 미생물 생태계를 이용해 바이오매스로부터 단일 균주로는 생산이 어려운 고부가 화합물을 생산하는 혁신 플랫폼이 될 것이다.”라고 말했다.

한편 이번 연구는 1월 26일 세계적인 과학저널인 Nature Communications(IF 17.694) 온라인 판에 게재되었으며, (논문명 : Compositional and Temporal Division of Labor Modulates Mixed Sugar Fermentation by an Engineered Yeast Consortium / 교신저자 : Yong-Su Jin, Ting Lu / 제1저자 : 신종혁 박사, Siqi Liao) 미국 에너지부(US　Department of Energy)와 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다. 

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