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합성색소 문제를 해결하는 미생물 기반 천연색소 생한을 위한 시스템 대사공학 전략 제시
우리 대학 생명화학공학과 신디(Cindy Pricilia Surya Prabowo) 박사과정생과 은현민 박사과정생을 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 `미생물 기반의 천연색소 생산을 위한 시스템 대사공학 전략’ 논문을 발표했다고 6일 밝혔다.
생명화학공학과의 신디(Cindy Pricilia Surya Prabowo) 박사과정생, 은현민 박사과정생, 양동수 박사, 담라(Damla) 박사과정생과 농촌진흥청 농업미생물과의 김수진 박사가 함께 참여한 이번 논문은 셀(Cell) 誌가 발행하는 화학 분야 권위 리뷰 저널인 `화학의 동향(Trends in Chemistry)' 7월호 표지논문 및 주 논문 (Featured Article)으로 1일 字 게재됐다.
※ 논문명 : Production of natural colorants by metabolically engineered microorganisms
※ 저자 정보 : 이상엽(한국과학기술원, 교신저자), Cindy(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 은현민(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 양동수(한국과학기술원, 제3 저자), Damla(한국과학기술원, 공동 제4저자), 김수진(농촌진흥청, 제5저자), Raman(농촌진흥청, 제 6저자) 포함 총 7명
천연자원으로부터 비롯되는 천연색소는 식품, 의약품, 화장품, 옷감 염색 등에서 널리 사용될 정도로 인류 역사에서 오랫동안 사용됐지만, 석유화학 산업의 발달과 함께 화학 합성 기반 색소의 수요도 급속도로 늘기 시작했다. 그러나 합성 색소를 지나치게 많이 사용함으로써 환경 오염 초래 및 인류의 건강에 악영향을 미칠 수 있으며, 특히 전체 산업용 폐수 중 약 17~20%의 폐수가 합성 색소를 옷감 염색에 사용하면서 발생하는 폐수로부터 비롯되는 것으로 보고된 바 있다.
환경 오염, 그리고 헬스케어에 대한 인식이 높아짐에 따라 천연색소에 대한 소비자 수요가 점점 증가하고 있지만, 천연자원으로부터 얻을 수 있는 한정된 천연색소의 양, 값비싼 추출 및 정제 공정, 낮은 수율 등의 문제로 인해 대량으로 천연색소를 생산해 시장에 공급하기에는 아직은 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 천연색소를 친환경적이며 고효율로 생산하기 위한 미생물 세포 공장을 개발하려는 노력이 이뤄지고 있다. 미생물 세포 공장 구축을 위한 핵심 전략인 시스템 대사공학은 기존의 석유화학 산업을 대체할 바이오산업의 핵심이 되는 미생물 균주를 보다 효과적으로 개발하기 위해 우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 창시한 연구 분야다.
학생들을 지도한 이상엽 특훈교수는 “학생들이 미생물 기반의 천연색소 생산을 위한 시스템 대사공학 연구를 체계적으로 분석 정리하고 앞으로의 전략을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있고, 권위 있는 학술지에 주 논문이자 표지논문으로 게재된 훌륭한 연구를 수행한 학생들이 자랑스럽다”라고 밝혔다. 이상엽 특훈교수 연구팀은 실제로 시스템 대사공학 전략을 이용해 천연물, 아미노산, 생분해성 플라스틱, 환경친화적 플라스틱 원료, 바이오 연료 등을 생산하는 고성능 균주들을 다수 개발한 바 있다.
연구팀은 이번 연구에서 미생물 세포 공장을 개발해 생산된 대표 천연색소들의 생합성 경로를 총망라해, 최신 연구내용과 흐름을 한눈에 파악할 수 있는 대사회로 지도를 정리했다. 이번 논문에서는 천연색소 생산 미생물 세포 공장 개발을 위한 중요한 시스템 대사공학 전략들을 정리했고, 각 단계에서 활용할 수 있는 최신 도구 및 전략을 대사공학이 나아가야 할 방향과 함께 제시했다.
공동 제1 저자인 신디(Cindy Pricilia Surya Prabowo) 박사과정생과 은현민 박사과정생은 "합성 색소로부터 비롯되는 환경 오염 문제와 헬스케어에 대한 소비자들의 인식이 높아짐에 따라 천연색소 산업의 중요성이 더욱 대두되고 있다ˮ라고 말했으며, 공동 저자인 농촌진흥청 농업미생물과 김수진 박사는 "인류가 건강한 삶을 지속적으로 영위하기 위해 천연색소를 대사공학적으로 생산하는 연구가 갈수록 중요해질 것ˮ이라고 말했다.
한편 이번 연구는 농촌진흥청이 지원하는 농업미생물사업단(단장 장판식)의 ‘카로티노이드 생산 미생물 세포 공장 개발’ 과제(과제책임자 국립농업과학원 김수진 박사)의 지원을 받아 수행됐다.
2022.07.06 조회수 9637 -
이상엽 연구부총장, 포니정재단 올해의 혁신상 수상
포니정재단은 제 15회 ‘포니정 혁신상’ 수상자로 시스템 대사공학 창시자이자 세계적 권위자인 우리 대학 이상엽 특훈교수(연구부총장)를 선정했다고 12일 밝혔다.
김철수 포니정재단 이사장은 “올해 한국인 최초로 영국 왕립학회의 외국인 회원으로 선임된 이상엽 특훈교수는 미국과 영 연방 국적을 제외하면 세계 3대 아카데미인 미국공학한림원, 미국국립과학원, 영국 왕립학회에 외국 회원으로 동시에 선정된 세계 유일의 과학자로 그 업적과 위상이 매우 높다”며 “이 교수가 창시한 시스템 대사공학은 미생물을 활용한 바이오 기반 친환경 기술로 의미가 크며 무한한 발전 가능성도 기대된다”고 선정 이유를 밝혔다.
이상엽 연구부총장은 1964년생으로 서울대 화학공학과를 졸업하고 미국 노스웨스턴대에서 화학공학 석사·박사 학위를 받았다. 그는 시스템 대사공학을 창시하고 원천 기술을 개발하는 등 해당 분야의 세계적 권위자로 알려져 있다.
시스템 대사공학은 세포의 대사회로를 총체적으로 디자인하고 조작해 화합물을 대량으로 생산해 활용하는 기술로 기존 대사공학에 시스템 생물학, 합성 생물학 등을 통합한 융합학문이다. 이상엽 교수의 연구는 미생물을 이용해 다양한 화합물을 대량으로 생산할 수 있어 효율적인 동시에 윤리적, 친환경적이다. 시스템 대사공학은 이러한 우수성을 인정받아 2016년 세계경제포럼(WEF)이 선정한 ‘10대 떠오르는 기술’에 선정된 바 있다.
이상엽 특훈교수는 올해 5월 영국 왕립학회에 서울대 생명과학부 김빛내리 석좌교수와 함께 회원으로 선임됐다. 이에 앞서 4월 비서구권 최초로 미국 산업미생물생명공학회(SIMB)가 수여하는 ‘찰스스콧상’을 수상했으며 2016년에는 미국화학공학회로부터 아시아인 최초로 제임스 베일리상을 받았다.
포니정 혁신상은 현대자동차 설립자인 故(고) 정세영 HDC그룹(전 현대산업개발) 명예회장의 애칭인 ‘PONY 鄭(포니정)’에서 이름을 따 지난 2006년 제정됐다. 혁신적인 사고를 통해 우리 사회에 긍정적인 변화를 일으킨 개인이나 단체를 선정해 상금 2억원과 상패를 수여하고 있다.
2021.07.13 조회수 10261 -
이상엽 특훈교수, 영국 왕립학회 회원 한국인 최초로 선정
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(연구부총장)가 영국 왕립학회(Royal Society)의 외국 회원으로 선임됐다고 7일 밝혔다. 이는 서울대학교 생명과학부 김빛내리 석좌교수와 함께 공동으로 한국인 최초 선임이다.
영국 왕립학회(자연과학 진흥을 위한 런던왕립학회)는 1660년 영국에서 설립된 세계 최고 권위의 학술단체로, 아이작 뉴턴, 찰스 다윈, 알베르트 아인슈타인 등 저명 과학자들이 회원으로 활동했고, 노벨상 수상자만 현재까지 280여 명을 배출했다.
영국 왕립학회는 매년 ‘자연 지식의 개선에 대한 심대한 기여’를 기준으로 엄격한 심사를 거쳐 전 세계에서 한 해에 영연방 소속 회원 최대 52명까지, 외국인 회원은 최대 10명까지 선발한다.
이상엽 특훈교수는 시스템 대사공학을 창시해 다수의 미생물 세포공장 개발을 위한 전략과 방법에 관한 원천기술들을 개발했다. 이를 이용해 가솔린, 디젤, 생분해성 플라스틱, 그리고 고분자의 원료가 되는 다양한 단량체들, 천연 활성물질 등 다수의 제품을 세계 최초 혹은 세계 최고의 효율로 생산하는 기술들을 개발했다.
최근에도 폴리에스터의 원료가 되는 숙신산, 글루타릭산의 고효율 생산 균주와 발효공정을 개발했고, 천연물 중 빨간색의 식용색소인 카르민산을 세계 최초로 생산한 바 있다.
또한 이상엽 특훈교수는 미국과학기술진흥협회(American Association for the Advancement of Science), 미국발명아카데미(National Academy of Inventors), 미국미생물학술원(American Academy of Microbiology)등 다수 학술원의 펠로우로 선임된 바 있으며, 미국공학한림원(National Academy of Engineering)과 미국국립과학원(National Academy of Sciences)의 외국 회원(International Member)으로 동시에 선임된 전 세계 13명 중의 한 명이다.
이번에 영국왕립학회 외국 회원으로 선임됨으로써 이상엽 특훈교수는 미국과 영연방 과학자가 아닌 사람으로 세계 3대 아카데미인 미국공학한림원, 미국국립과학원, 영국왕립학회에 동시에 외국 회원인 전 세계 유일한 과학자가 됐다.
※ 왕립학회 관련 사이트 : https://royalsociety.org/people/sang%20yup-lee-35046/
2021.05.07 조회수 27101 -
미생물 기반 다양한 일차 아민 생산 기술 최초 개발
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 `비식용 바이오매스를 여러 가지 짧은 길이의 일차 아민들로 전환하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 11일 밝혔다.
이번 연구결과는 국제적인 학술지인 `네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다.
※ 논문명 : Microbial production of multiple short-chain primary amines via retrobiosynthesis
※ 저자 정보 : 이상엽(한국과학기술원, 교신저자), 김동인(한국과학기술원, 공동 제1저자), 채동언(한국과학기술원, 공동 제1저자), 김현욱(한국과학기술원, 공동 제1저자), 장우대(한국과학기술원, 제4저자), 포함 총 5명
석유화학산업은 화석원료를 이용해 우리 생활 전반에 광범위하게 이용되는 범용화학물질들을 생산해왔다. 그러나 원유 매장량 고갈에 대한 우려와 원유 산업으로부터 발생하는 지구 온난화 등의 환경문제가 전 세계적으로 매우 심각한 상황이다. 특히 우리나라의 경우 석유를 전량 수입에 의존하기 때문에, 국제 유가 변동에 매우 취약한 실정이다. 이에 환경문제를 해결하면서 원유를 대체할 수 있는 지속 가능한 바이오리파이너리의 구축이 시급히 요구되고 있다.
바이오 리파이너리란 화석원료가 아닌 비식용 바이오매스를 원료로 사용해 미생물로 산업적으로 유용한 화학물질들을 생산하는 기술이다. 여기서 미생물은 원료인 바이오매스를 우리가 원하는 화학물질로 전환하는 세포 공장과 같은 역할을 한다. 이러한 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작할 수 있게 하는 시스템 대사공학은 바이오 리파이너리에서 핵심기술 중 하나다.
지금껏 석유화학 공정을 통해서 합성되던 화학물질 중에는 미생물 시스템 대사공학을 통해서 바이오 기반으로 생산되는 사례가 점차 늘고 있지만, 아직 의약품 및 농약품들의 전구체로 널리 사용되는 짧은 탄소 길이를 가진 일차 아민들의 생산은 보고된 바가 없었다.
이에 KAIST 이상엽 특훈교수 연구팀은 여러 가지 짧은 탄소 길이를 갖는 일차 아민들을 생산할 수 있는 대장균 균주 개발 연구를 수행했다.
지금까지 이러한 일차 아민들을 생산하는 균주들이 개발되지 못한 가장 큰 이유는 생합성 대사회로의 부재였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 역 생합성 시뮬레이션을 통해 모든 가능한 대사경로들을 예측했다. 그 후 전구체 선택과정을 통해 가장 유망한 대사회로들을 선정했다.
이렇게 디자인된 신규 대사회로들을 실제 실험을 통해 검증했으며 이를 통해 10가지 종류의 다른 짧은 길이의 일차 아민들을 생산하는 대장균 균주들을 최초로 개발하는 데 성공했다.
또한 대표적인 일차 아민들을 선정해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당을 단일 탄소원으로 사용한 생산과 시스템 대사공학을 통한 생산량 증대를 보임으로써 바이오 기반 생산의 가능성을 보여줬다.
이번 연구에서 활용된 역 생합성과 전구체 선택과정을 같이 사용한 전략은 짧은 탄소 길이를 가진 일차 아민들 뿐만 아니라 다른 그룹의 여러 가지 화학물질들을 동시에 생산하는 대사회로들을 구축하는 데도 유용하게 쓰일 것으로 예상된다.
이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 지금까지 석유화학 산업 기반으로만 생산할 수 있었던 짧은 탄소 길이를 가진 일차 아민들을 재생 가능한 바이오 기반 화학산업을 통해 생산할 가능성을 세계 최초로 제시한 점에 의의가 있다”며 “앞으로 더 많은 연구를 통해 생산량과 생산성을 증대시킬 계획이다”라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 '바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제'의 지원을 받아 수행됐다.
2021.01.11 조회수 63778 -
이상엽 특훈교수, 미국 명문대초청 특별강연
우리대학 생명화학공학과 이상엽(생명과학기술대학 학장) 특훈교수가 미국대학에서 초청받아 네임드렉처(Named Lecture) 특별 기념강연을 한다.
네임드렉처 강연은 미국 명문대학에서 일 년에 한 번씩 그 분야 세계 최고 석학을 초빙해 강의를 듣는 특별 강연 프로그램이다.
이상엽 특훈교수는 ‘시스템 대사공학’ 분야 창시자로 미생물의 대사회로를 시스템 수준에서 조작해 다양한 원유 유래 화학물질을 바이오기반에서 친환경적으로 만드는 연구를 진행 중인데, 관련분야에서 큰 연구 성과를 내고 있는 점을 인정해 미국 3개 대학에서 초청했다.
이 교수는 오는 ▲1월 31일 텍사스 오스틴 주립대 화학공학과에서 “미생물 시스템 대사공학에 의한 화학물질의 생산”을 주제로 또 ▲ 2월 1일에는 라이스(Rice)대학 화학 및 생명분자 공학과에서 “시스템 대사공학의 전략과 응용”을 주제로 각각 진행된다. 이밖에 ▲ 2월 6일에는 펜실베니아주립대 화학공학과에서 “시스템 대사공학”을 주제로 강의한다.
이상엽 교수는 “네임드렉처 초청은 과학자나 공학자로서 학문적 기여를 인정받는 것”이라며 “이번 초청은 KAIST뿐만 아니라 개인적으로도 매우 영광스런 일이다”라고 말했다.
이 교수는 현재 교육과학기술부 시스템생물학 연구개발사업과 글로벌 프론티어 바이오매스 사업단 사업, 글로벌 프론티어 지능형합성생물학 사업단에 참여해 연구를 수행중이며, 이를 통해 바이오 화학산업에 필수적인 대사공학 원천기술을 개발하고 있다.
2012.01.25 조회수 12185 -
이상엽 특훈교수, ‘합성생물학’ 부편집인으로 선임
- ‘12년 발간, 합성생물학 분야 논문심사 및 편집방향 설정 -
우리 학교 생명화학공학과 이상엽(47) 특훈교수가 미국 화학회 (American Chemical Society, ACS)에서 2012년부터 발간하는 학술지인 ‘합성생물학(Synthetic Biology)’지의 부편집인(Associate Editor)로 최근 선임됐다고 31일 밝혔다.
임기는 2011년 10월 1일부터 2012년 12월 31일까지다.
이상엽 특훈교수는 미국 캘리포니아 주립대학의 제프 해스티(Jeff Hasty) 교수와 함께 부편집인으로 논문의 심사, 편집방향 설정 등을 수행하게 되고, 편집장은 미국 MIT 크리스 보잇(Chris Voigt) 교수가 맡았다.
합성생물학은 세포나 생물시스템을 DNA수준에서 합성, 조절, 최적화해 새로운 대사회로나 조절회로를 만들고, 이를 이용해 신약을 개발하거나 바이오기반 화학물질을 환경 친화적으로 생산해 삶의 질을 높이고 환경을 보호하는 데 기여를 할 것으로 기대되는 신학문이다.
최근 우리나라에서도 이 분야의 중요성을 인식해 교육과학기술부의 글로벌프론티어사업단의 하나로 합성생물학을 연구 주제로 하는 ‘지능형 바이오디자인사업단’이 올 9월 출범하기도 했다.
이상엽 교수는 “미국 화학회에서 발간하는 학술지는 해당 학문분야에서 영향력이 매우 크다”며 “앞으로 우리나라 연구자들이 합성생물학 분야에서 훌륭한 연구결과를 많이 내고 그 결과들이 이 학술지에 많이 실리는 데 기여하고 싶다”고 포부를 밝혔다.
이 교수는 시스템대사공학을 창시하고 이 분야에서 380여편의 논문을 집필한 세계적 석학이다.
최근에는 가상세포 상용화를 주도하는 미국 제노마티카사와 공동으로 ‘원유로부터 생산되는 부탄다이올을 생물학적으로 생산하는 기술’을 개발해 네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology) 표지논문으로 선정되기도 했다.
또 ‘2011년 미국 대통령 녹색화학 도전상(2011 Presidential Green Chemistry Challenge Award)’을 수상해 세계적으로 인정받았으며, 미국 산업미생물학회 암젠기조강연과 미국 화학공학회 대사공학 20주년기념 심포지엄 기조강연을 하는 등 활발한 활동을 하고 있다.
2011.10.31 조회수 17203