미생물에 의한 효과적인 당 활용을 위한 새로운 대사공학 전략으로 고분자 원료의 생물생산이 향상됩니다.

박사과정 학생인 후지와라 료스케(FUJIWARA Ryosuke), 다나카 츠토무(TANAKA Tsutomu) 부교수(모두 고베 대학 공학 연구과), 연구 과학자 노다 슈헤이(RIKEN 지속 가능한 자원 과학 센터)로 구성된 연구 그룹이 목표 화학 물질의 생산 수율을 높이는 데 성공했습니다. 바이오매스. 그들은 생물생산에 사용되는 박테리아를 대사공학적으로 설계하여 바이오매스에서 흡수된 다양한 종류의 설탕을 별도의 목적으로 사용함으로써 이를 달성했습니다. 목표 화학물질을 생산하기 위해 미생물을 사용할 때 직면하게 되는 문제가 있습니다. 미생물이 자신의 번식을 위해 탄소원(당)을 사용하는 경우 목표 화학물질 생산량이 감소합니다. 반면, 이러한 번식을 억제하면 미생물이 약화되어 전체적인 생산량이 감소하게 됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 PMPE(병렬 대사 경로 공학)라는 새로운 전략을 개발하여 목표 화학 물질 생산과 미생물 번식을 모두 제어할 수 있었습니다. 그들은 나일론 전구체인 뮤콘산의 생산을 성공적으로 증대시키기 위해 이 접근법을 사용하여 대장균 박테리아를 변경했습니다. 선택된 탄소원을 대상 화학물질 생산에만 활용하고 나머지 탄소원은 미생물 증식에 활용하는 것이 가능해지면 방향족 화합물과 의료화학제품 원료 생산에 큰 발전을 가져올 수 있을 것이다. 이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 1월 14일자에 처음 게재됐다. 주요 포인트 미생물 증식을 위한 당의 활용과 목표 화학물질 생산을 독립적으로 제어할 수 있는 PMPE 전략 개발. 연구팀은 이러한 접근법을 이용해 뮤콘산(목표 화학물질)의 수율을 높이는 데 성공했다. PMPE는 화학제품, 의약품에 활용되는 방향족 화합물, 디카르복실산 등 다양한 원료 생산에 적용할 수 있습니다. 바이오매스 등 다당류를 함유한 원료의 유효 활용도 향상이 기대된다. 연구배경 우리는 화석연료를 원료로 다양한 제품을 생산하고 있습니다. 그러나 석유 유래 화합물을 생산하면 대기 중 CO2 양이 증가하여 지구 온난화 등 다양한 환경 문제가 발생합니다. 결과적으로, 미생물을 사용하여 나무나 식물 등 자연적으로 풍부한 재생 가능 자원으로부터 화합물을 생산하는 바이오리파이너리 기술(*1)을 개발할 필요가 있습니다. 바이오매스 유래 제품은 탄소 중립(*2)이라는 장점이 있습니다. 대기 중 CO2의 양을 증가시키지 않습니다. 바이오매스를 이용하여 다양한 유용한 화합물을 생산함으로써 대기 중 CO2 배출량을 감소시키는 저탄소 사회 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대됩니다. 뮤콘산은 나일론 생산의 성분인 아디프산으로 쉽게 전환될 수 있는 유용한 화학물질입니다. 또한 다양한 의료 및 화학 제품 생산의 원료로도 사용됩니다. 그러나 현재는 석유 자원에서 화학적으로 합성됩니다. 미생물과 재생 가능한 식물 기반 자원을 사용하여 반응 조건이 더 온화하고 부산물이 적은 발효 방법이 개발될 수 있을 것으로 기대됩니다. 그러나 바이오매스로부터 목표 화학물질을 생산하기 위해 미생물을 사용하는 데에는 문제가 있습니다. 미생물이 바이오매스를 활용하더라도 목적하는 화학물질을 생산하지 않고 스스로 증식하는 경우가 많다. 그러나 미생물이 증가하는 것을 방지하기 위해 신진대사를 변경하면 미생물이 약화되어 표적 화학물질을 합성할 수 없게 됩니다. 미생물의 자가 증식과 목표 화학물질 생산 사이의 균형이 큰 문제입니다. 이 딜레마를 해결하기 위해 연구팀은 미생물 증식과 표적 화학물질 생산 사이의 당 활용을 분리하여 각 과정을 독립적으로 제어할 수 있는 PMPE(병렬 대사 경로 공학)라는 새로운 기술을 개발했습니다. 연구 내용 전 세계 식량 공급과 경쟁하지 않는 리그노셀룰로오스 바이오매스는 포도당과 자일로스당으로 구성됩니다. 연구팀은 목표 화학물질 생산을 위해 포도당을 활용하고 미생물 증식을 위해 자일로스를 활용할 수 있도록 대장균 박테리아를 변형하는 것과 관련된 대사 전략을 개발했습니다. 일반 미생물에서 포도당과 자일로스는 동일한 대사 경로를 사용하며 둘 다 미생물 성장과 표적 화학물질 생산에 활용됩니다. 이는 미생물이 당분을 흡수하여 생존에 필요한 요소와 에너지를 생산하고 유지하기 때문에 합성되는 대상 화학 물질의 양을 줄입니다. 이 문제를 완화하기 위해 연구 그룹은 PMPE라는 새로운 전략을 개발했습니다. 미생물의 대사 경로를 나누면 각 당을 독립적으로 활용할 수 있으며, 모든 포도당은 표적 화학 물질 생산에 사용되며 모든 자일로스는 미생물 증식 및 유지에 사용됩니다. 이는 미생물 성장에 활용되는 포도당이 전혀 없기 때문에 생산될 목표 화학물질의 더 큰 수율을 허용했습니다. 본 연구 그룹은 뮤콘산 합성을 위해 변형된 대장균에 대사 경로를 도입했습니다. 변형된 대장균은 포도당과 자일로스를 활용하여 목표 화학물질을 생산했습니다. 연구진은 0.31g/g-포도당 수율로 4.26g/L의 뮤콘산을 생산하는 데 성공했습니다. 이는 세계 최고 수준의 수율로 PMPE 전략의 효율성을 입증한다. 이후 연구진은 PMPE 전략이 뮤콘산 이외의 표적 화학물질 생산에 적용될 수 있는지 조사했습니다. 그 결과 필수 아미노산과 방향족 화합물인 페닐알라닌, 의약품과 식품의 첨가제로 사용되는 1,2-프로판디올의 수율을 성공적으로 높였습니다. 이러한 결과는 PMPE가 다양한 화합물을 효율적으로 생산하는 데 사용할 수 있는 다용도 기술임을 보여줍니다. 향후 발전 본 연구그룹이 개발한 PMPE 기술은 방향족 화합물, 디카르복실산 등 의료 및 화학 제품에 사용되는 다양한 원료의 생산량을 늘리는 데 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 더욱이, 박테리아의 대사를 변경하는 이러한 전략은 여러 당을 함유한 바이오매스가 보다 효율적으로 활용되도록 할 것입니다. 비고 *1 바이오리파이너리 기술 재생가능한 바이오매스 자원을 이용하여 바이오연료, 바이오플라스틱, 의약품 성분 등을 생산하는 기술입니다. *2 탄소 중립 탄소 제거로 탄소 배출을 상쇄하거나 탄소 배출을 모두 제거하여 대기 중 CO2 양을 일정하게 유지하는 개념입니다. 화석 연료 대신 바이오매스를 사용하는 것은 탄소 중립 공정의 한 예입니다.