화학연, 나일론 필수원료 생산 '미생물 세포공장' 개발

[이데일리 강민구 기자] 석유화학 기반 화학소재를 대체하기 위한 바이오소재 개발이 전 세계적인 이슈인 가운데, 국내 연구진이 유질 효모를 활용해 화학분야의 주요 산업 원재료를 생산하는 기술을 선보였다.

화학분야 주요 산업 원재료인 ‘아디프산’을 미생물에서 생산하는 세포공장 기술을 개발한 연구팀.(오른쪽부터) 노명현 선임연구원, 백승호 선임연구원, 이상민 학생연구원, 박진성 인턴연구원(사진=한국화학연구원)

한국화학연구원은 백승호·노명현 박사 연구팀이 산업용 미생물로 활용되는 유질 효모인 야로위아 리폴리티카(Yarrowia lipolytica)를 활용한 ‘바이오 아디프산(Adipic acid)’ 생산용 미생물 세포공장을 개발했다고 18일 밝혔다.

연구팀은 ‘합성생물학’ 기술을 활용해 바이오매스로부터 바이오 아디프산을 생산하는 기술을 연구했다. 아디프산은 나일론 섬유의 필수 중간 원료이자, 생분해성 플라스틱 원재료, 식품첨가제 등으로 활용된다.

대부분의 아디프산은 나프타, 천연가스 등 화석연료로 생산되지만, 생산 공정 상 발생하는 아산화질소가 온실효과를 유발해 환경 친화적이고 지속 가능한 바이오 아디프산 생산 기술 개발이 필요하다.

석유화학산업에서의 친환경 규제와 탄소배출 감소 요구가 커지면서, 바이오매스 유래의 탄소중립형 바이오화학원료로 대체하기 위한 패러다임 전환도 강조되고 있다.

하지만 현재까지 개발된 기술들은 인체 내 질병을 유발할 수 있는 병원성 미생물을 활용하거나 유전자 조작이 까다롭다는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 FDA 인정 식품첨가 안전 물질(GRAS)로 지정된 유질 효모인 ‘야로위아 리폴리티카’를 미생물 세포공장으로 활용해 아디프산을 생산하는 기술을 개발했다.

연구팀은 합성생물학 기술을 기반으로 지방산 유래 산물 분해 능력을 인공적으로 조절하고 아디프산 생산량이 증가하도록 미생물 특성을 재설계했다.

일반적인 유질 효모의 지질 분해 과정은 카복실기가 양 끝에 붙어있는 디카르복실산 형태로 변환되는 ‘오메가 산화기작’ 이후 분해경로를 통해 유질 효모가 살아가는데 필요한 아세틸코에이 등의 에너지원으로 전환되는 ‘베타 산화기작’ 과정을 거친다.

연구팀은 식물성 오일에 다량 함유된 지방산 유래 산물을 디카르복실산으로 바꾸기 위해 필요한 유전자를 선별해 오메가 산화기작을 강화했다.

여섯 번의 반복적인 순환 과정을 통해 디카르복실산으로부터 에너지 생성과 생존에 필요한 아세틸 코에이를 생산했다. 유전자 조작을 통해 3번만 순환되도록 하고, 나머지의 디카르복실산은 아디프산을 생산하도록 유도하는 베타 산화기작을 최적화했다.

연구팀은 앞으로 효율적으로 바이오 아디프산을 생산해 석유화학 기반 아디프산 대체를 위한 원천기술로 활용되기를 기대했다.

이영국 화학연 원장은 “12대 국가전략기술 중 첨단바이오 분야의 핵심인 합성생물학 기술을 통해 확보된 바이오 아디프산 생산 맞춤형 미생물 세포공장 기술”이라며 “향후 대한민국 바이오소재 생산 원천기술 확보에 기여하기를 희망한다”라고 말했다.

연구결과는 바이오매스 관련 국제 학술지 ‘바이오리소스 테크놀로지(Bioresource Technology)’ 1월호 논문으로 게재됐다.