바이오 플라스틱 원료인 숙신산을 미세조류에서

직접 생산할 수 있는 박테리아 세계 최초개발

- 미세조류-바이오리파이너리 기반 바이오화학/소재생산의 가능성 높여

미래창조과학부(장관 최양희)는 유전자 재조합 박테리아를 이용하여 미세조류에서 플라스틱의 원료물질인 숙신산을 직접 생산할 수 있는 통합바이오공정을 세계 최초로 개발했다고 발표했다.
※ 숙신산(Succinic acid; 호박산) : 바이오화학물질의 핵심 전구체로서, 추가 화학반응을 통해 플라스틱, 코팅소재, 합성가소제, 우레탄, 솔벤트 등에 활용 가능]
 
이는 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 활용하여 기존의 석유화학기반의 플라스틱 제품을 대체할 수 있는 바이오화학 제품 생산 기반이 조성되었다는데 큰 의의가 있다. 이번 성과는 미래창조과학부 "Korea CCS 2020사업" 지원을 통해 KIST 우한민 박사(교신저자) 연구팀과 고려대 심상준 교수 연구팀이 도출한 것으로, 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports, IF 5.078, 해당분야 상위 7.4%)에 7월24일자 온라인으로 게재되었다.
* 논문명: Succinate production from CO2-grown microalgal biomass as carbon source using engineered Corynebacterium glutamicum through consolidated bioprocessing
※ MULTIDISCIPLINARY SCIENCES분야 55개 논문 중 상위 5위의 논문

이번 개발된 박테리아의 경우 미세조류 내 전분을 분해할 수 있는 아밀라아제 효소를 직접 생산하여 추가적인 당화효소 없이 고효율의 숙신산을 생산할 수 있는 것이다. 미세조류는 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 보다 빠른 속도로 자라기 단순한 화학구조로 이루어져있어, 전처리 및 당화를 통한 바이오매스의 이용이 보다 용이한 장점을 갖는다. 그러나 기존 숙신산과 같은 바이오화학물질 생산을 위해 활용된목질계바이오매스는 복잡한 화학구조로 인해 전처리 및 당화 과정이 어렵고, 특히 해외독점제품인 당화효소를 사용해야 된다는 한계를 갖고 있었다.

** 목질계바이오매스는, 셀룰로오스, 헤미셀롤로오스, 리그닌이 복합적으로 얽혀있는 바이오매스로써, 재생가능한 바이오매스로 연구되고 있음 

본 연구에 사용된 박테리아는 바이오화학, 식품 등의 산업에서 아미노산, 헥산 등을 생산하는데 실제 활용되고 있는 코리네박테리움 글루타미쿰 균주(Corynebacterium glutamicum)를 개량한 것으로, 기존사업에 쉽게 적용되어 사업화 될 수 있을 것으로 기대된다. 바이오플라스틱 시장이 연간 5조원까지 확대될 것으로 예상(‘18년 기준, The Freedonia Group)되는 가운데 관련 기업들이 해당 시장을 점유하기 위해 주력하고 있으므로, 관련 기업으로의 기술이전 및 사업화가 가능할 것으로 기대된다. 아울러 이번 연구성과는 바이오 플라스틱 뿐만아니라 코팅소재, 합성가소제, 우레탄, 솔벤트 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 

우한민 박사는 “이번 연구결과를 통해 화석연료의 고갈 및 기후변화에 대응하는 지속가능한 차세대바이오매스 녹조를 활용할 수 있는 바이오리파이너리* 기술의 새로운 돌파구를 제시하였다”고 밝혔다.
* 오일리파이너리와 대응되는 용어로써, 바이오매스로부터 바이오기술을 통하여 다양한 화학제품을 생산할 수 있는 기술

 ○ 연구진

                  KIST 우한민 박사

 ○ 용어설명

1. 차세대 바이오매스 (Advanced Biomass)

- 기존의 바이오매스는 전분계 바이오매스로써 옥수수나 사탕수수를 바이오매스의 원료로 사용하였다. 차세대 비식용 바이오매스의 경우, 초본계 바이오매스 (거대 억새, 잡초 등), 목질계 바이오매스 (폐목제 등), 거대조류 바이오매스 (우뭇가사리, 다시마 등), 또는 미세조류 (녹조 등)를 이용하는 연구가 활발하다.

2. 녹조: 미세조류 (Microalgae)

- 미세조류는 이산화탄소를 독립영양원으로 성장하는 미생물로서, 대체에너지를 확보를 위한 미래 청정에너지 및 산업소재의 자원으로 주목받고 있음. 광합성과 이산화탄소만을 이용한 세포 성장이 가능하며, 클라미도모나스 (Chlamydomonas reinhardtii) 균주에 대한 많은 연구가 진행되고 있음. 최근에는 바이오디젤생산을 위한 세포내 지질을 다량 함유하는 미세조류 종을 찾는 연구가 활발함. 

3. 산업균주 코리네박테리움 글루타미쿰 (Corynebacterium glutamicum)

- 가축사료나 식품첨가물로 사용되는 바이오 아미노산을 생산하는 미생물(세균)로써, 현재 CJ제일제당이나 대상과 같은 기업에서 산업균주를 이용하여 발효를 통한 화합물을 생산함. 세포내 대사회로를 인위적으로 조절하여, 유용한 물질을 많이 생산하도록 유전적으로 조작하는 대사공학의 기법의 발달을 통하여, 아미노산이외에 플라스틱 및 수송용연료를 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있음.

4. 숙신산 (호박산, Succinic acid)

- 호박산으로도 불리는 숙신산은 C4-디카복실산으로 바이오화학물질의 핵심 전구체로서, 플라스틱, 코팅소재, 합성가소제, 우레탄, 솔벤트 등의 원료로 사용이 되며 화학, 식품, 제약업계 등에 널리 활용할 수 있을 것으로 기대됨. 특히, 1,4-부탄다이올 (1,4-Butanediol)과 같이 중합하여 폴리부틸렌숙시네이트 (Polybutylene succinate, PBS)라고 불리는 열적특성이 높은 플라스틱의 원료물질로 사용됨. 

5. 통합바이오공정 (Consolidated Bioprocessing)

- 전분이나 셀룰로오즈와 같은 폴리머성 바이오매스를 생분해할 때, 추가효소를 투입하지 않고, 미생물 스스로 해당 효소를 생산, 분비, 당화하는 미생물을 이용한 바이오공정.

 ○ 그림설명

<그림 1> 고농도 이산화탄소배양을 통한 클라미도모나스 균주의 세포성장과 전분을 포함하는 탄수화물을 세포내에 축적하고, 간단한 전처리를 통하여, 숙신산 생산 산업균주의 세포성장 및 숙신산 생산이 가능하였다. 특히, 합성생물학과 대사공학기법을 이용하여 개발된 산업균주는 추가효소 없이, 미생물 자체적으로 분해효소를 생산, 공급하는 통합공정미생물로써, 혁신적으로 숙신산 생산 수율을 증대시킬 수 있었다.

 

 

<그림 2> 기본 산업균주의 개량을 통해서, 전분을 먹지 못하는 산업균주 (좌측)을 합성생물학 기법을 이용한 균주 개량을 통해서, 단시간 내에 전분을 분해, 대사할 수 있도록 개발하였으며, 이는 추가효소가 필요 없는 균주로써 통합공정의 기분 균주로 개발되었다.

 

 

<그림 3> 호기조건에서 숙신산을 생산할 수 있는 산업균주에 단시간 내에 전분을 분해, 대사할 수 있는 숙신산 생산 통합균주를 개발하였다. 기존의 숙신산 균주 (좌측)은 총 슈가 (Sugar, 발효당)의 50% 정도만 소비하는 데 비해, 통합숙신산 균주는 총 슈가의 90%이상을 소비할 수 있으며, 그 수율 또한 2배 이상 증가함을 보였다.