바이오경제 이끌 대사공학 30년 역사와 미래

- KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀, 셀(Cell)이 발행하는 리뷰 저널 ‘생명공학동향’의 40주년 특집호 게재

- 바이오 기반 화학물질 생산기술로 주목받는 대사공학의 지난 30여 년간의 역사 총정리

- 대사공학이 화학물질의 지속 가능한 생산, 건강 및 환경 문제를 해결하기 위해 어떻게 기여할 수 있는지 분석

- UN이 발표한 지속가능발전목표(SDGs) 달성에 기여와 향후 대사공학 통한 해결책 및 발전 방향 제시

이상엽 KAIST 특훈교수

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 지난 30년간 대사공학이 발전해온 역사를 정리해, 대사공학이 지속 가능한 발전에 어떻게 기여할 수 있는지 분석한 결과를 ‘지속 가능성과 건강을 위한 대사공학’ 논문으로 발표했다고 25일 밝혔다. 이번 논문은 셀(Cell) 誌가 발행하는 생명공학 분야 권위 리뷰 저널인 `생명공학 동향(Trends in Biotechnology)'의 40주년 특집호 온라인판에 게재됐다.

대사공학은 1990년대 초반부터 본격적으로 연구되어 지난 30년간 괄목할 만한 발전을 이뤘다. 대사공학은 산업, 의료, 농업 및 환경 분야를 포함한 대부분의 생명공학 분야에서 적용돼왔으며, 특히 미생물 공학에 중점을 두고 연구가 진행됐다. 다양한 발효 식품과 알코올음료 생산 등, 미생물을 사용한 물질 생산은 오랜 역사가 있다. 미생물은 동식물에 비해 빠르게 자랄 수 있어 실험에 드는 시간과 비용이 적게 든다. 또한 유전자 변형 생물(Genetically Modified Organism; GMO) 관련한 윤리 및 안정성 문제에서 동식물과 비교해 미생물의 유전공학은 상대적으로 자유로워 미생물에 관한 대사공학 연구가 광범위하게 시행돼왔다.

지난 수십 년간 대사공학은 유용한 화학물질을 효율적으로 생산하고, 분해가 어려운 오염 물질을 분해할 수 있는 미생물 균주를 성공적으로 개발하는 등, 지속 가능한 발전을 위한 핵심적인 기술로서의 면모를 보여왔다. 특히, 현재까지 대사공학을 통해 개발한 미생물은 재생 가능한 바이오매스로부터 바이오 연료, 바이오 플라스틱, 산업용 대량 화학물질, 화장품 성분 및 의약품까지 수백 가지의 화학물질이 생산을 가능케 했다.

또한, 대사공학은 미생물과 곤충을 포함한 동식물의 자연적 정화 과정에서 영감을 얻어 미생물 기반의 다양한 생물학적 정화 방법을 개발하기 위해 사용돼왔다. 오염 물질과 독성 화학물질의 분해 경로를 조작함으로써 유출된 기름, 폐플라스틱, 살충제, 폐기된 항생제와 같은 물질을 더 높은 효율로 분해할 수 있도록 미생물을 개량할 수 있고, 이는 환경 보존을 위한 연구의 초석으로서 대사공학이 인류 건강에 기여하는 중요 예시다. 이처럼 대사공학은 유엔이 발표한 지속가능발전목표 Sustainable Development Goals; SDG) 달성에 다방면으로 기여하고 있다.

대사공학의 주요 발전에 대한 타임라인

연구팀은 이번 연구에서 지난 30년간 대사 공학이 발전하며 어떻게 바이오 기반 화학물질의 지속 가능한 생산, 인류 건강 및 환경 문제까지 기여했는지에 대한 광범위한 개요를 제공했다. 특히 KAIST 이상엽 특훈교수는 대사공학의 태동기부터 연구를 수행해 왔으며 2000년대 들어서 두드러진 합성생물학의 발전과도 함께해 왔다. 연구팀은 이번 논문을 통해 대사공학의 출현부터 인공지능을 활용한 최신 기술의 도입까지, 지난 수십 년 동안 어떻게 사회적, 산업적, 기술적 요구를 해결하기 위해 어떻게 발전해왔는지 정리하고, 최근 대사공학 연구가 어떻게 산업용 대량 화학물질 생산, 바이오 연료 생산, 천연물 생산, 생물학적 정화 분야에 기여하고 있는지 논의했다. 나아가 건강 및 환경 문제의 해결과 지속 가능한 바이오 기반의 화학산업을 정착시키기 위해 극복해야 할 대사공학의 문제점을 함께 제시했다.

공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 김기배 박사과정생은 “기존의 석유화학 공정 기반의 화학물질 생산으로 인한 기후 위기와 화석 연료 고갈 문제를 고려했을 때 대사공학을 이용한 화학물질의 지속 가능한 생산 연구는 더욱 중요해지고 있다”라고 말했으며, 이상엽 특훈교수는 “이번 연구에서 대사공학의 역사를 돌이켜봄으로써 대사공학의 지속가능발전목표를 달성하기 위한 기여를 조명했으며, 우리 사회가 직면한 기후 위기, 환경 오염, 헬스케어, 식량 및 에너지 부족 문제에 대한 해결책으로서 대사공학이 점점 더 중요한 역할을 할 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 과제, 바이오·의료기술개발사업의 맞춤형 세포공장 기반 유해선충제어 바이오소재 기술 개발 과제, 그리고 산업통상자원부가 지원하는 e바이오리파이너리 직접공기포집 C1전환 합성생물학의 통합 과제의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문명 : Metabolic engineering for sustainability and health

※ 저자 정보 : 김기배(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 최소영(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 조인진(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 안다희(한국과학기술원), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 5명

□ 연구 배경

ㅇ 지속 가능한 발전과 인류 건강에 대한 관심이 증대하면서 바이오 기반의 화학물질 생산 기술이 주목받고 있다. 대사공학은 원하는 화학 물질의 생산을 증가시키고, 환경에 유해한 화학물질을 분해하기 위해 세포 대사, 규제 및 신호 네트워크를 의도적으로 조작하는 학문이다. 대사공학은 합성 생물학, 시스템 생물학, 진화 공학 및 인공지능을 활용한 데이터 과학을 통합함으로써 지난 30년간 크게 발전했다.

ㅇ 대사공학을 포함한 생명공학은 기후 위기, 환경 오염, 식량 및 에너지 부족, 고령화 사회에서 야기된 건강 문제 등 현재 세대가 직면한 범지구적 과제에 대해 해결책을 제공하는 핵심 기술 중 하나로 주목받고 있다.

ㅇ 이 연구에서는 1990년대부터 현재까지 대사공학의 발전사를 정리하고 다양한 응용 분야에서 어떻게 지속 가능한 발전에 기여하고 있는지 살펴본다.

□ 연구내용

ㅇ 이 연구에서는 대사공학의 출현부터 시작하여 분야의 포괄적인 개요를 제공하는 것을 목표로, 대사공학이 지속 가능성과 건강에 기여하고 있는 사례들을 분석하였다. 재조합 DNA 기술과 같은 분자생물학 기술의 등장으로 시작한 대사공학의 초기 연구부터 시스템 대사공학을 이용한 최근 발전까지 대사공학의 역사에 대해 논의하고, 주요 발전사와 동향을 타임라인으로 정리하였다.

ㅇ 산업용 대량 화학물질 생산, 바이오 연료 생산, 천연물 생산 및 생화학적 정화 등 응용 분야별 대사공학 연구의 최신 동향을 조사함으로써 대사공학이 UN의 지속가능발전목표에 기여하는 방안을 상세히 논의하였다.

ㅇ 지속 가능한 바이오 기반의 화학 산업을 구축하고 환경 문제에 기여하기 위해 대사공학이 향후 나아가야 할 방향을 제시하였다.

□용어 설명

1. 대사공학 (metabolic engineering)

○ 대사 물질의 생산경로 조작을 통해 목적 대사 물질의 생산을 최적화하는 기술을 의미한다. 대사공학은 생산경로 유전자의 과발현, 경쟁 경로 유전자의 제거, 또는 외래 유전자의 도입 등을 통해 미생물이 가지고 있는 고유의 대사 경로를 변형시킴으로써, 원하는 산물의 생산을 극대화하고자 하며, 이 과정에서 컴퓨터 모델링을 비롯한 다양한 공학 도구들이 사용된다. 미생물을 이용해 생산 가능한 다양한 화학물질들은 에너지, 식품, 의약, 화장품, 화학산업 등에 널리 활용되고 있다.

2. 시스템 대사공학 (systems metabolic engineering)

○ 기존 대사공학적 기법과 시스템생물학, 합성생물학 및 진화공학 기법 등과의 융합을 통해 체계적으로 미생물 대사를 재설계하여 목표 화학물질의 대량생산을 가능하게 하는 학문이다. 이 기술은 2016년 세계경제포럼에서 ‘2016년 10대 떠오르는 기술’에 선정된 바 있다.

□이상엽 교수[교신저자] 이력 사항

○ 소속 : KAIST 생명화학공학과

학력

○ 1986: 서울대학교 (학사: 화학공학 전공)

○ 1987: 노스웨스턴 대학 (석사: 화학공학 전공)

○ 1991: 노스웨스턴 대학 (박사: 화학공학 전공)

경력 사항

○ 1994 - 1996: KAIST 화학공학과 조교수

○ 1997 - 2002: KAIST 생명화학공학과 부교수

○ 2000 - 현재: 소장, 생물공정연구센터

○ 2002 - 현재: KAIST 생명화학공학과 교수

○ 2003 - 현재: 소장, 생물정보연구센터