연구
< (왼쪽부터)화학과 한순규 교수, 김태완 석박사통합과정, 녹색성장지속가능대학원 최경록 교수, 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 >
페트병, 스티로폼, 나일론 등 일상 곳곳에 쓰이는 BTEX(벤젠·톨루엔·에틸벤젠·파라자일렌)은 핵심 원료지만, 지금까지는 석유 정제를 통해서만 얻을 수 있었다. 식물 기반 생산 시도는 오랫동안 난제로 남아 있었다. 그러나 KAIST 연구팀이 마침내 석유 대신 폐목재 등 바이오매스 유래의 포도당으로부터 BTEX를 생산하는 데 성공, 차세대 친환경 플라스틱 원료로 가는 길을 열었다.
우리 대학은 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 및 화학과 한순규 교수 공동 연구팀이 미생물 발효 공정과 유기화학 반응을 결합하여 포도당, 글리세롤과 같은 재생 가능한 바이오 원료에서 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 파라자일렌 등(BTEX)을 생산하는 공정을 개발하였다고 12일 밝혔다.
우리 대학 연구팀은 석유 정제로 인한 환경 부담과, 복잡한 화학 구조 때문에 식물 기반 BTEX 생산이 어려웠던 문제를 미생물 세포공장과 화학 반응을 융합한 새로운 공정으로 해결했다.
미생물이 포도당, 글리세롤을 이용해 페놀, 벤질알코올 등 산소화된 중간 물질을 만들고, 이를 화학 반응으로 산소를 제거하여 벤젠·톨루엔 같은 BTEX을 얻는 방식이다.
< 미생물 공정과 화학적 공정을 결합한 포도당과 글리세롤로부터의 BTEX 생산 공정 요약도 >
특히 이상엽 교수가 이끌어온 ‘시스템 대사공학 기술’로 미생물의 대사 경로를 새로 설계해 효율을 높였다. 여기에 연구팀은 비밀 병기인 ‘아이소프로필 마이리스테이트(IPM)’라는 특별한 용매를 사용했다.
이 용매는 복잡한 정제 과정 없이 바로 반응 가능하며 끓는점이 높아 BTEX와 쉽게 분리·재활용 가능하다. 덕분에 공정은 단순해지고 효율은 크게 올랐다.
이번에 구축한 플랫폼은 미생물 대사의 선택성과 화학 반응의 효율성을 결합해 BTEX의 재생 가능한 생산 경로를 마련했다는 점에서 의의가 크며, 앞으로는 미생물이 원료를 더 효율적으로 활용하도록 설계하고, 공정을 산업 규모로 확대하며, 친환경 촉매를 도입해 기술을 한 단계 더 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.
녹색성장지속가능대학원 최경록 교수는 “이번 연구는 단순한 BTEX 생산을 넘어, 미생물과 화학 반응을 한 과정에서 통합할 수 있는 새로운 체계를 제시했다”며, “특히 끓는점이 높은 IPM 덕분에 BTEX를 쉽게 분리하고 재활용할 수 있어 석유화학의 지속 가능한 대안이 될 수 있다”고 강조했다.
공동 교신저자인 한순규 교수는 “이번 성과는 잘 쓰이지 않던 용매(IPM) 안에서 미생물 대사공학과 화학 반응이 동시에 잘 작동하도록 한 것이 핵심”이라며, “이로써 기존 촉매와 시약의 한계를 극복할 수 있었다”고 설명했다.
이상엽 특훈교수는 “BTEX 수요는 세계적으로 계속 증가하고 있다”며, “이번 성과는 석유 의존도를 낮추고, 연료·화학 산업의 탄소 발자국을 줄이며, 지속 가능한 원료 공급을 가능하게 하는 중요한 진전”이라고 평가했다.
이번 논문은 미국국립과학원(NAS)이 발행하는 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 10월 2일에 게재됐다.
※ 논문명 : Chemobiological synthesis of benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene from glucose or glycerol, DOI:10.1073/pnas.2509568122
※ 저자 정보 : Zou Xuan(KAIST, 제1 저자), 김태완(KAIST, 제2 저자), Luo Zi Wei(KAIST, 제 3저자), 최경록(KAIST, 제4 저자), 한순규(KAIST, 공동교신저자) 및 이상엽(KAIST, 교신저자) 포함 총 6명
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘차세대 바이오리파이너리를 위한 세포공장 구축 원천기술 개발’ 및 ‘바이오제조 산업 선도를 위한 첨단 합성생물학 원천기술 개발’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.
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연구 유전자 가위로 유전자 켜고 끄기 동시에 가능하다
유전자를 켜고 끈다는 것은 마치 전등 스위치를 올리고 내리듯, 세포 속 유전자의 작동 여부를 조절하여 켜면 단백질이나 물질 생산이 활발해지고, 끄면 생산이 억제된다. 한국 연구진이 기존에 ‘끄는 기능’에 치중됐던 한계를 넘어, 유전자를 켜고 끄는 것을 동시에 구현할 수 있는 혁신적 시스템을 세계 최초로 개발하며 합성생물학 기반 바이오산업의 새로운 패러다임을 열었다. 우리 대학 공학생물학대학원(생명과학과 겸임) 이주영 교수와 국가과학기술연구회(이사장 김영식) 산하 한국화학연구원(원장 이영국) 노명현 박사 공동연구팀이 대장균에서 원하는 유전자를 동시에 켜고 끄는 것이 가능한 새로운 이중모드 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위 시스템을 개발했다고 21일 밝혔다. 대장균은 실험이 쉽고 산업적 활용으로 바로 이어질 수 있는 대표적인 미생물이다. 한편, 유전자 가위(CRISPR) 기술은 21세기 생명공학의 가장 혁신적인 도구로 평가받고 있다. 특히 합성생물학
2025-09-22 -
연구 미생물 안전균주로 고효율 루테인 대량 생산 가능
노안 및 백내장 예방에 효과가 있는 대표적인 눈 건강 기능성 성분 ‘루테인’을 우리 연구진이 2022년 전자 채널링 기술을 적용한 대장균을 통해 세계 최초로 생산하는 데 성공한 바 있다. 이후 연구진은 기존 기술이 가진 대장균의 내독소(endotoxin) 문제를 해결하고, 동시에 대량 생산이 가능한 미생물 대사공학 기반의 친환경적이고 고효율적인 루테인 생산 플랫폼을 새롭게 개발하여 실용성과 안전성 모두를 획기적으로 향상시키는데 성공했다. 향후, (주)실리코바이오(이상엽 특훈교수 교원창업기업)을 통해 기술사업화를 추진할 예정이다. 우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 `루테인을 대량 생산하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 13일 밝혔다. 기존의 미생물 대사공학을 이용한 루테인 생산 연구에서는 부산물 생성이 많고 루테인 축적량이 제한되는 한계가 있었다. 이는 루테인 합성 대사경로에서 특정 병목 단계가 존재하여 대사 흐름이 원활하게 진행되지 못
2025-07-14 -
연구 짠 음식의 뇌종양 악화 유발 원인 세계 최초 밝혀
짠 음식을 자주 섭취하는 식습관이 건강에 해롭다는 것은 널리 알려진 사실이다. 그런데 최근 KAIST 연구진은 짠 음식이 뇌종양까지 악화시킬 수 있다는 사실을 세계 최초로, “왜 나빠지는지", "무엇이 그 과정을 유도하는지", "어떤 유전자가, 어떤 단백질이 작용하는지"까지 분자적 인과관계를 입증해 주목받고 있다. 우리 대학 생명과학과 이흥규 교수 연구팀이 고염식이 장내 미생물 구성을 변화시키고, 이로 인해 증식이 증대된 미생물에 의해 분비되는 대사물질인‘프로피오네이트(propionate)‘가 장내에 과도하게 축적되어 뇌종양을 악화시킨다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 뇌종양 마우스 모델을 이용한 실험에서 이 같은 사실을 입증했다. 마우스에게 4주간 짠 사료를 섭취하게 한 뒤 종양세포를 주입하자 일반식이 그룹에 비해 생존율이 크게 낮아지고 종양 크기가 증가하는 것을 확인했다. 이어 항생제로 장내 미생물을 제거하거나, 무균 마우스에 분변(고염사료 섭
2025-06-02 -
연구 AI 기반 효소 발굴하여 새로운 미생물 설계 가능
효소는 세포 내에서 일어나는 생화학적 반응을 촉매하는 단백질로, 세포의 대사 과정에서 핵심적인 역할을 수행한다. 이에 따라 새로운 효소의 기능을 규명하는 것은 미생물 세포공장 구축에서 핵심적인 과제다. KAIST 연구진이 인공지능(AI)을 활용해 자연에 존재하지 않는 새로운 효소를 설계함으로써, 미생물 세포공장 구축을 가속화하고 신약·바이오 연료 등 차세대 바이오산업의 개발 가능성을 크게 높였다. 우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 AI를 활용한 효소 기능 예측 기술의 발전 과정과 최신 동향을 정리하고, AI가 새로운 효소를 찾고 설계하는데 어떤 역할을 해왔는지 분석하여 ‘인공지능을 이용한 효소 기능 분류’를 발표했다. 이상엽 특훈교수 연구팀은 이번 연구에서 머신러닝(Machine learning)과 딥러닝(Deep learning)을 활용한 효소 기능 예측 기술의 발전 과정을 체계적으로 정리·분석하여 제공했다.
2025-04-17 -
연구 235종 화학물질 친환경 생산 ‘세포공장 설계도’ 완성
기후 위기와 화석 연료 고갈은 전 세계적으로 지속 가능한 화학물질 생산의 필요성을 높이고 있다. 미국의 BioMADE (바이오메이드) 사업 등 바이오 제조 경쟁력 강화는 전 세계 중요한 국가 과제로 인식되고 있다. 우리 대학 연구진이 미생물 5종을 컴퓨터 시뮬레이션하여 산업에 가장 많이 쓰이는 바이오 연료, 플라스틱 등 원료가 되는 235가지 화학물질을 친환경적으로 생산하는데 성공하였고 상용화 가능성을 제시하여 주목받고 있다. 우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 다양한 산업용 미생물 세포공장의 생산 능력을 가상 세포를 이용해 종합적으로 평가하고, 이를 토대로 특정 화학물질 생산에 가장 적합한 미생물 균주를 선정하고 최적의 대사 공학 전략을 제시했다. 미생물 세포 공장은 재생 가능한 자원을 활용하여 친환경적인 화학물질 생산 플랫폼으로 각광받고 있으며, 미생물을 개량하기 위한 대사공학 기술은 이러한 세포공장 생산 효율을 극대화하는 핵심 도구로 자리 잡고 있다.
2025-04-07