메탄자화균 개량 통해 라이신과 카다베린 생합성

[기계신문] 경희대학교 화학공학과 이은열 교수 연구팀이 메탄에서 고부가가치 화학제품을 생합성하는 전략을 제시하고, 해당 전략을 기반으로 메탄 유래 식품소재와 바이오플라스틱 원료를 생산하는 기술을 개발했다.

메탄은 온실가스의 주요 성분으로 이산화탄소보다 지구온난화 잠재력이 84배 더 높다. 다른 한편으로 메탄은 천연가스 및 바이오 가스의 주성분으로 풍부하고 가격이 매우 저렴하여 탄소원으로 활용할 수 있다.

대부분의 미생물 기반 바이오촉매는 바이오매스 유래 포도당을 탄소원으로 사용하며, 포도당은 전체 공정비용의 많은 부분을 차지한다. 이에 반해 메탄은 풍부하고 저렴하며, 식량자원이 아니어서 윤리적 이슈도 없어 매력적인 차세대 탄소원으로 평가되고 있다.

메탄 기반 바이오리파이너리는 지속가능한 고부가가치 화학물질 생산을 위한 유망한 접근 방식이며, 메탄자화균은 메탄을 탄소원으로 사용할 수 있어 메탄의 생물학적 전환을 위한 매력적인 플랫폼 균주다.

최근 미국, 유럽 및 한국을 중심으로 메탄의 생물학적 전환을 통한 고부가가치 유용 산물 제조 기술 개발에 대한 관심이 증가하고 있어, 메탄자화균 플랫폼 기술 개발과 이를 이용한 고부가가치 산물 생산에 관한 원천 기술 개발은 향후 석유 화학을 가스 기반의 바이오화학으로 보완할 수 있는 미래 핵심 기술이다.

▲ 메탄자화균의 개량 및 이를 이용한 메탄 유래 라이신 및 카타베린 생산 전체 개념도. 메탄자화균을 이용한 메탄 기반 바이오 화학제품 생산은 매력적인 접근법이며, 설계-구축-시험의 파이프라인은 메탄자화균 기반 메탄 바이오 전환 효율을 향상시킬 수 있다.

이에 연구팀은 메탄자화균 관련된 연구동향을 분석하고, 메탄자화균의 메탄 및 메탄올 대사, 메탄자화균에 사용된 시스템 생물학 및 합성생물학 접근법, 대사공학적 개량을 통한 메탄자화균의 화학물질 및 바이오 연료 생산을 위한 연구전략을 제시하였다.

연구팀은 이러한 전략을 토대로 메탄과 이산화탄소를 동시에 동화할 수 있는 유형 II 메탄자화균의 개량에 성공했다. 또, 개량된 메탄자화균을 가스 발효하여 식품 및 사료 소재인 라이신과 바이오 나일론의 원료인 카다베린을 생합성할 수 있었다. 라이신은 식품 및 사료로 사용되는 아미노산으로, 우리나라가 점유율 1위를 기록하고 있다.

탁월한 내열성과 기계적 강도 덕분에 다양한 산업분야에서 활용되는 나일론은 대부분 석유에서 생산된다. 보다 지속가능한 바이오 나일론 생산이 요구되는 가운데 석유 유래 나일론과 유사한 나일론을 만들 수 있는 원료인 카다베린을 온실가스로부터 얻을 수 있는 실마리를 찾은 것이다.

▲ 메탄자화균 TEM 이미지 및 메탄자화균의 가스 발효 공정. 메탄자화균은 메탄을 탄소원 및 에너지원으로 사용하는 원핵생물로 간균 또는 간구균의 모양을 가지며, intracytoplasmic membrane(ICM)을 가진다(왼쪽). 가스 연속 발효를 통하여 고농도 세포배양 및 메탄 유래 카다베린을 성공적으로 생산했다.

이은열 교수는 “온실가스이기도 하지만, 천연가스, 셰일가스, 바이오가스의 주성분으로 경제적인 탄소자원인 메탄을 환경친화적으로 활용할 수 있다면 기후변화대응 측면에서도 의미가 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

기존 라이신 생산 공정은 식량자원인 포도당을 탄소원으로 사용한다. 이번 기술은 가격이 낮은 폐가스자원인 메탄을 사용하는 기술이며, 온실가스인 메탄을 고부가가치 물질로 전환하여 제거함으로써 기후변화대응에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

저가의 천연가스, 셰일가스, 바이오가스 또는 온실가스인 메탄을 이용한 바이오나일론 제조에 사용되는 모노머의 생산은 기존 석유 화학 기반의 나일론 산업의 지속가능한 대안으로 고려될 수 있다.

한편, 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 C1 가스리파이너리 사업의 지원으로 도출된 메탄자화균 플랫폼은 Cell Press에서 발행하는 ‘Trends in Biotechnology’ 온라인판에 8월 19일 게재되었다.

또한, 메탄 유래 라이신 및 카다베린 생산은 영국화학회가 발간하는 ‘Green Chemistry’에 9월 1일 온라인 게재되었으며 연구의 우수성을 인정받아 백커버(back cover) 논문으로 선정되었다.

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