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작은 날갯짓으로 완성된 10개월의 여정, KAIST 연못에 돌아온 특별한 가족
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2025년 6월 9일 오전, KAIST 캠퍼스 연못가에는 이른 시간부터 조심스런 움직임이 이어졌다. 격리 보호소에서 한 달간 지내던 오리 가족과 새끼 거위 두 마리를 다시 연못에 방사하는 날이었다. 작은 이동장이 열리자, 어린 새끼들은 주변을 살피며 천천히 물가로 나섰고, 그 뒤를 따라 어미 오리가 발을 디뎠다.
지난해 여름 구조된 이 오리는 한때 무리에 섞이지 못한 외톨이였지만, 이제는 새끼 오리와 새끼 거위를 함께 품은 가족의 중심이 되어 돌아왔다. 방사 장면을 지켜본 학생과 교직원들은 10개월 동안 이어진 이들의 여정을 떠올리며 조용한 환영을 보냈다.
이야기의 시작은 2024년 7월로 거슬러 올라간다. KAIST 연못가에서 어미 없이 뒤뚱거리며 걷던 아기 오리 두 마리가 KAIST 학생의 제보로 발견됐다. 보송보송한 솜털과 납작한 주둥이, 사람을 겁내지 않는 태도로 보아 누군가가 유기한 것으로 추정됐다. ‘거위 아빠’로 잘 알려진 생명과학과 허원도 교수와 KAIST 시설팀은 즉시 구조에 나섰고, 두 마리는 약 한 달간의 보호를 거쳐 연못에 방사되었다.
처음에는 비교적 안정적으로 적응하는 듯 보였다. 그러나 기존의 거위 무리와 어울리지는 못했고, 독립적으로 생활했다. 얼마 지나지 않아 한 마리는 자취를 감췄고, 남은 한 마리는 겨울 연못가에서 부상을 입은 채 발견됐다. 생태계에 대한 인위적 개입을 최소화해 온 KAIST의 원칙에도 불구하고, 이번에는 생명을 살리기 위해 예외가 적용되었다. 허 교수와 시설팀의 보호 속에서 오리는 한 달 만에 건강을 되찾았다.
이듬해 봄, 회복한 오리는 산란을 시작했다. 허 교수는 특별한 개입 없이 먹이 조절을 통해 산란과 포란을 지원했다. 그리고 5월 5일 어린이날 아침, 오리가 품은 알들이 부화했다. 구조 당시에는 무리에 섞이지 못했던 외로운 오리가, 이제는 한 생명을 품은 어미가 되어 있었다. 그리고 열흘 뒤인 5월 15일, KAIST 연못에서는 또 다른 생명이 태어났다. 거위 무리에서 새끼 거위 네 마리가 부화한 것이다. 이렇게 많은 생명들의 탄생 속에서 오리 연못은 그 어느 때보다 활기 넘치는 모습을 보였다.
그런데 불과 며칠 후 어미는 보이지 않았고, 물에 뜨지 못하는 새끼 거위들이 연못가에서 떨고 있었다. 이 모습을 목격한 서울대 학생 변다현 씨의 제보로 다시 구조가 이뤄졌고, 목숨을 검진 새끼 거위 두 마리는 오리 가족과 함께 보호소에 머물게 되었다.
서로 다른 종의 동거는 처음엔 어색했지만, 서서히 변화를 보이기 시작했다. 오리 어미는 새끼 거위들을 밀어내지 않았고, 새끼 오리와 새끼 거위는 함께 먹이를 먹고 잠들며 새로운 가족으로 묶여갔다. 한 달간의 합사 이후, 이들은 함께 연못에 방사되었고, 기존 거위 무리는 새끼 거위와 오리 가족 모두를 받아들였다.
이 작은 가족이 연못으로 돌아오기까지 걸린 시간은 열 달. 유기에서 구조, 부상과 회복, 산란과 부화, 그리고 낙오된 새끼들을 함께 돌본 한 달의 동거에 이르기까지 서로 다른 사연을 지닌 생명들이 한 무리가 되어 연못으로 복귀하기까지의 여정은 단순한 성장 이상이었다. 오리 가족의 10개월은 작은 위기들과 선택의 순간들을 거치며 만들어진 기록이자, KAIST 캠퍼스의 작은 기적이다.
2025.06.10
조회수 4331
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서로 닮았지만 다른 우리, 가족이 됐어요.
그 동안 어린이날 오리새끼 탄생과 스승의 날 거위 새끼 부화로 KAIST 오리 연못에는 따스한 행복이 감돌았다. 그러나 불과 며칠 후, 천적의 공격 탓인지 연못에 또 다시 위기가 닥쳤다.
추위에 떨고 있는 새끼 거위 두 마리가 발견된 것이다. 다행히 서울대학교에 재학 중인 한국생명공학연구원 인턴 변다현 학생의 발 빠른 구조 덕분에 새끼들은 무사히 구조되었다.
하지만 깃털에 기름을 발라 줄 어미가 없었던 탓에 새끼들은 스스로 물에 뜨거나 헤엄칠 수 없었다. 변다현 학생은 새끼들에게 어미의 보살핌이 필요하다고 판단해 거위 무리에 합류시키려 했으나, 성체 거위들은 헤엄을 치지 못하는 새끼 거위들을 외면하였다.
결국 학생은 임시보호를 이어가며 새끼들을 정성껏 돌봤고, 이후 KAIST 생명과학과 허원도 교수에게 새끼 거위를 인계했다. 현재는 허원도 교수와 KAIST 시설팀이 협력하여 새끼 거위가 성장할 때까지 격리장에서 보호하고 있다.
그렇게 격리장에 있던 오리 가족과 함께 지내게 된 거위들. 닮은 듯 닮지 않은 그들의 첫 만남은 어색하기 그지없었다. 그런데 다음 날, 뜻밖의 광경이 펼쳐졌다. 어미를 잃은 새끼 거위들과 한때 홀로 살아남은 오리가 어느새 다정함을 나누고 있던 것이다.
이들의 특별한 동거는 단지 귀엽고 따뜻한 장면 이상의 의미를 지닌다.
유기와 부상, 외면과 추위를 견뎌낸 작은 생명들이 만들어 낸 이 가족은 그 자체로 회복과 희망의 상징이기도 하다. 다름을 수용하고 함께 살아가는 그들의 모습에서 KAIST가 꿈꾸는 미래 공동체의 한 단면을 엿볼 수 있지 않을까.
2025.05.30
조회수 4805
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스승의 날에 찾아온 생명의 선물, KAIST 연못가에 태어난 아기 거위들
스승의 날, KAIST 캠퍼스에 뜻깊은 생명의 기적이 찾아왔습니다. 오리 연못가에서 거위 한 쌍이 두 마리의 새끼를 낳았습니다.
노란 솜털을 뒤덮은 새끼 거위들은 연못가를 종종거리며 탐험을 시작했고, 곁에서는 이모 거위들이 든든하게 자리를 지키고 있었습니다. 두리번거리며 주변을 살피는 모습, 물가의 돌 위에서 깡충대는 발걸음, 물속을 유영하며 뒤따르는 아기들의 행렬은 보는 이들의 마음을 저절로 녹입니다.
스승의 날에 태어난 이 특별한 새 생명은 마치 ‘보살핌’과 ‘성장’이라는 날의 의미를 상징하는 듯합니다. 생명의 경이로움이 깃든 이 장면은 KAIST 구성원들에게 따뜻한 위로와 기쁨을 선사하며, 연구와 배움의 공간인 캠퍼스에 자연의 감동을 더했습니다.
이 귀여운 가족은 벌써부터 연못의 주인처럼 여유로운 모습으로 주변을 누비고 있습니다. 봄빛 가득한 연못가에 생명의 기쁨이 더해지며, KAIST 캠퍼스에는 따뜻한 미소가 번지고 있습니다.
연못은 이제 학생들과 교직원들에게 작지만 특별한 쉼터가 되었습니다. 스승의 날에 찾아온 이 거위 가족은, 자연이 전하는 돌봄과 배움의 의미를 조용히 일깨워줍니다.
2025.05.21
조회수 4016
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2025 어린이날, 오리가 엄마가 되었습니다
2024년 7월, KAIST 캠퍼스에 특별한 손님이 찾아왔다. 보송보송하게 난 노란 솜털, 뒤뚱거리는 걸음걸이, 납작한 주둥이, 영락없는 아기 오리였다. 그러나 어찌 된 일인지 어미는 보이지 않았다. 사람을 두려워하지 않고 잘 따르는 것으로 보아 누군가 유기한 오리가 분명했다.
다행히 아기 오리는 학생들이 곧장 제보한 덕분에 무사히 구출됐다.
새로 KAIST의 구성원이 된 오리들은 비교적 평화롭게 캠퍼스 생활에 적응하는 듯했다. 아무래도 새 식구인 만큼 캠퍼스에 터 잡고 살던 기존의 거위 무리에 섞이지는 못했지만, 그렇다고 거위들이 이들을 배척하지도 않았다. 데면데면하게 지내는 어색한 이웃 같은 사이라서 그런지, 오리들이 머잖아 기존의 거위 무리에 합류하리라는 기대도 있었다.
‘거위 아빠’로 잘 알려진 허원도 생명과학과 교수가 KAIST 시설팀과 함께 이들을 보호하는 데 나섰다. 허 교수는 KAIST의 상징이나 다름없는 학내 거위와 오리를 꾸준히 관찰하며 보호해 온 것으로 잘 알려졌다. 교직원과 허 교수의 보살핌 덕분에 구출된 지 약 한달 만에 두 오리는 무사히 캠퍼스에 방사될 수 있었다.
그러나 겨울이 지나면서 안타까운 소식이 전해졌다. 한 마리가 실종되고 남은 한 마리도 연못가에서 부상을 입은 채 발견된 것이다. 캠퍼스에 사는 동물들이 자연 상태를 유지할 수 있도록 개입을 최소화한다는 것이 시설팀과 허 교수의 방침이지만 우선 다친 오리를 살리는 것이 급선무였다. 한 달 동안 다시 격리되어 회복기간을 거친 오리는 무사히 회복되어 햇볕 아래에서 봄을 맞을 수 있었다.
오리들의 산란기인 봄이 시작되고 나서 허 교수는 조금만 더 도움을 주기로 했다. 산란할 조짐이 보여 ‘임산부를 위한 특식’을 3월 한 달 동안 꾸준히 제공한 것이다. KAIST 구성원의 보살핌과 관심 속에 어미 오리가 포란을 시작한 지 28일째인 5월 5일 어린이날 아침, 마침내 새 생명이 알을 깨고 나왔다. 음식 외에는 특별한 보호 없이 오롯이 살아남은 오리 혼자서 일구어 낸 소중한 결실이었다.
유기와 부상이라는 고난을 딛고 홀로 선 오리는 이제 새로운 가족을 이뤘다. 아직까지도 기존의 거위 무리와는 거리감이 있지만, KAIST의 거위들이 공격적이거나 배타적이지는 않은 만큼 자연스럽게 캠퍼스의 생태계에 자리잡을 수 있을 것으로 보인다. 이미 KAIST의 거위 무리는 다섯 마리의 새끼 오리를 보호하며 키워 낸 경험이 있다.
오리 한 마리가 어린이날 KAIST 캠퍼스에 선사한 특별한 봄. 새로운 가족이 탄생하기까지 그 작은 생명이 이뤄 낸 결실은 사람과 동물이 조화를 이루는 KAIST 캠퍼스의 상징이기도 하다. 구조부터 부화까지 꼭 필요한 도움만 제공한 KAIST 구성원들의 조심스러운 개입은 ‘동물과 사람의 바람직한 공존’이 무엇인지 다시 생각해보게 한다.
2025.05.07
조회수 6627
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3.8m 강아지가 KAIST 캠퍼스에… 조각작품 ＇생생이＇공개
우리 대학이 한국 미술계에서 크게 주목받고 있는 한진섭 작가의 조각작품을 대전 본원에 설치하고 28일 제막식을 열었다.
올해 2월 기증받아 이달 설치된 대형 조각작품은 '생생(生生)이'라 이름 지어진 3.8m 높이의 대형 강아지 조각이다. 돌을 깎아 모양을 내는 기존 기법이 아닌 화강암 조각을 모자이크처럼 이어 붙인 소조 기법으로 제작됐다.
'생생이'는 한진섭 작가의 2016년 작품으로 일명 '오줌 싸는 강아지'로 알려져 있다. 활짝 웃는 얼굴로 뒷다리를 든 채 서 있는 형태의 조각상 내부에는 상하수도 관을 설치해 실제로 물줄기가 흘러나온다.
한 작가는 "생명 순환의 근본원리를 생생이에 담아내고자 했다"라며, "KAIST 캠퍼스에는 생생이와 함께 일상의 여유를 경험하는 행복의 순간을 선물하고 싶었다"라고 밝혔다. 조각상은 연못을 마주 보는 학술문화관과 KI빌딩 사이에 설치되었으며, 매년 3월 초부터 10월 말까지 분수가 가동된다. 캠퍼스를 찾는 방문객들에게 과학기술 연구기관의 다양성과 창의력을 상징하는 랜드마크로 소개할 예정이다.
전시를 총괄한 석현정 미술관장은 "KAIST 미술관의 대표 자산으로 자리 잡은 생생이는 생명력과 해학이 담긴 모습으로 학생과 방문객에게 즐거움과 영감을 제공하고 과학기술 대학이 갖는 엄숙한 이미지를 뛰어넘어 대화와 상상력을 더 넓게 자극하는 소재가 될 것"이라고 설명했다.
또한 "이번 한진섭 작가의 작품 설치를 계기로 젊은 과학자들과 예술가들이 서로 교류하고 영감을 주고받을 수 있는 공간을 만들어 KAIST가 추구하는 학문의 폭과 깊이를 새롭게 조명하는 계기를 마련할 것"이라고 밝혔다.
28일 오후 우리 대학 구성원을 대상으로 한진섭 작가의 기념 강연이 진행됐으며, 이어진 제막식에는 한 작가의 가족과 이광형 총장, 이균민 교학부총장, 석현정 미술관장 등 학교 관계자가 참석했다. 한진섭 작가는 1956년 서울에서 태어나 홍익대학교 미술대학 조소과와 동 대학원을 졸업한 후 이탈리아 카라라 국립미술대학 조소과에서 수학했다. 2023년 9월 바티칸 성 베드로 대성당에 성 김대건 안드레아 신부 성상(3.9m)을 설치했다. 이는 바티칸에 들어선 최초의 동양인 성상으로 한 작가가 50년 이상 몸담아 온 돌조각 분야에서 세계적인 명성을 확립하는 계기가 됐다. 총 13회의 전시회를 개최했으며, 프랑스 엘리제궁 및 국립현대미술관 등 주요 기관에 작품이 소장되어 있다. 제13대 (사)한국조각협회 이사장을 역임했다.
2024.05.29
조회수 10154
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친환경적 나일론 생산 전략 소개하다
기후 변화에 대응하여 전 세계는 '넷제로(Net-Zero)'라는 슬로건을 내세운 탄소 중립 관련 산업에 점점 더 주목하고 있다. 나일론으로 대표되는 폴리아마이드는 자동차, 전기, 섬유, 의료 산업 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되는 선형 고분자다. 1938년 나일론으로 처음 상업화된 이후, 매년 전 세계적으로 약 700만 톤의 폴리아마이드가 생산되고 있다. 이러한 폭넓은 활용성과 중요성을 고려할 때, 폴리아마이드를 생물 기반 방식으로 생산하는 것은 환경적, 산업적 측면에서 모두 중대한 의미를 지니고 있다.
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀의 이종언 박사와 김지연 박사과정생이 `바이오 기반 폴리아마이드 생산 기술의 발전 동향' 논문을 발표했다고 18일 밝혔다.
기후변화대응 기술 중 바이오리파이너리는 화석 원료에 의존하지 않고 바이오매스 원료로부터 생물공학적·화학적 기술을 이용해 화학제품·바이오 연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 분야에 해당한다. 특히, 이상엽 특훈교수가 창시한 시스템 대사공학은 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작해, 바이오매스 원료로부터 유용 화합물을 생산하는 핵심 바이오리파이너리 기술이다. 이상엽 특훈교수 연구팀은 실제로 시스템 대사공학 전략을 이용해 숙신산, 생분해성 플라스틱, 바이오 연료, 천연물 등을 생산하는 고성능 균주들을 다수 개발한 바 있다.
연구팀은 우리의 실생활에서 의류 및 섬유에 다양하게 활용되는 바이오 기반 폴리아미드 생산기술이 보편화된다면, 친환경적 생산기술을 바탕으로 기후 위기에 대응할 수 있는 미래기술로써 주목받게 될 것임을 전망했다. 이번 논문에서는 바이오 기반 폴리아마이드 생산 전략을 종합적으로 정리함으로써 대사공학적으로 개량된 미생물 세포 공장을 사용한 폴리아마이드 생산과 합성된 바이오 기반 폴리아마이드 발전 동향을 제공했다. 또한, 화학적 전환을 통하여 합성된 바이오 기반 폴리아마이드 생산 전략, 생산된 폴리아마이드의 생분해 및 재활용 가능성에 대해 논의했다. 나아가 친환경 화학 산업과 지속 가능한 사회를 위해 바이오 기반 폴리아마이드 생산에 활용되는 대사공학이 나아갈 방향을 함께 제시했다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 김지연 박사과정생은 “탄소 중립 목표 달성을 위해 시스템 대사공학을 활용한 바이오 기반 폴리아마이드 생산의 중요성이 더욱 대두되고 있다”라고 말했으며, 이상엽 특훈교수는 “증가하는 기후 변화에 대한 우려 속에 어느 때보다 친환경적이며 지속 가능한 산업 발전의 중요성이 커지고 있는 지금, 시스템 대사공학이 화학 산업뿐만 아니라 다양한 분야에 큰 영향을 미칠 것”이라고 밝혔다.
우리 대학 생명화학공학과의 이종언 박사, 김지연 박사과정생, 안정호 박사, 안예지 석사가 함께 참여한 이번 논문은 셀(Cell) 誌가 발행하는 화학 분야 권위 리뷰 저널인 `화학의 동향(Trends in Chemistry)' 12월호 표지논문 및 주 논문(Featured Review)으로 12월 7일 字 게재됐다.
※ 논문명 : Current advancements in the bio-based production of polyamides
※ 저자 정보 : 이종언(한국과학기술원, 공동 1 저자), 김지연(한국과학기술원, 공동 1 저자), 안정호(한국과학기술원, 제 3저자), 안예지(한국과학기술원, 제 4저자), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 5명
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제 및 ‘C1 가스 리파이너리 사업’의 지원을 받아 수행됐다.
2023.12.18
조회수 13083
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소금, 자가조립 나노캡슐 소재로 쓰이다
우리 대학 기계공학과 김형수 교수와 박광석 박사과정이 소금의 결정화 프로세스를 표면장력 효과로 제어해 나노 및 마이크로 캡슐을 제작하는 원천 기술을 개발했다고 5일 밝혔다. 이를 `결정 모세관 오리가미 기술(Crystal Capillary Origami Technology)'이라고 칭한다.
최근 나노물질 자가 조립기술은 기능성 고분자, 바이오 재료 분야 및 반도체 나노 구조체 제조 등에 활용되는 등 바이오기술(BT) 및 정보통신기술(IT) 분야와 서로 기술적으로 융합 발전되고 있어, 미래 산업에 미칠 경제적 효과가 막대할 것으로 예상되어 그 관심도가 높아지고 있다.
일반적인 자가 조립기술은 미리 정해진 기본 유닛을 이용하는 상향식 (bottom-up approach) 기술 방법이다. 보통 폴리머나 콜로이드 등을 이용해 최종 형태를 구성하게 되고, 이 기술은 분자 수준부터 마이크로미터 수준까지 폭넓은 길이 차원에 적용할 수 있다.
자가 조립기술을 이용하면 나노캡슐을 제작할 수 있는데 공정 특성상 캡슐화를 위해서 경화 과정이 필수적이라 제작공정이 간단하지 않다.
김형수 교수는 “지구상에 존재하는 수많은 미네랄이 있을 텐데 이번 연구에서 사용한 특정 소금들과 같이 기본 결정 구조가 얇고 잘 휘는 성질의 결정을 발견해서 활용할 수 있으면 이멀젼(유화액)이나 액적(물방울) 내부에 원하는 물질을 자발적이고 효과적으로 가둘 수 있다ˮ라고 설명했다.
기계공학과 박광석 박사과정이 제1 저자로 참여한 해당 연구 결과는 국제적 권위 학술단체 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 저명학술지 나노스케일(Nanoscale) 誌에 9월 10일 字 게재됐고, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문(Inside Front Cover)으로 게재됐다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 핵융합기초연구사업(NRF-2021R1A2C2007835)과 삼성전자 산학협력 과제 (IO201216-08212-01)의 지원을 부분적으로 받아 수행됐다.
(논문명: Crystal capillary origami capsule with self-assembled nanostructures)
2021.10.05
조회수 14328
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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 71783
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이상엽 특훈교수 연구팀, 미생물 기반 바이오 숙신산 대량 생산 기술 개발
국내 연구진이 플라스틱의 원료와 식품·의약품 합성에 사용되는 중요한 화학물질인 숙신산을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다.
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀과 경북대학교(총장 김상동) 김경진 교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 미생물 기반의 바이오 숙신산 대량 생산을 가능케 하는 세계 최고의 효율을 지닌 숙신산 생산 균주를 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다. 이 교수와 김 교수가 이끄는 공동연구팀의 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션 (Nature Communications)’ 4월 23일 字 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Enhanced succinic acid production by Mannheimia employing optimal malate dehydrogenase)
기후변화 대응 기술 중 바이오리파이너리 기술은 화석연료에 의존하지 않고 바이오매스 원료로부터 생물공학적 ‧ 화학적 기술을 이용해 화학제품과 바이오연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 분야이다. 이 중 특히 핵심 기술인 ‘시스템 대사공학’은 미생물의 복잡한 대사회로를 효과적으로 조작해 산업 화학물질의 생산 효율을 높일 수 있다.
현대 산업 전반은 화석연료를 바탕으로 하는 산업에 매우 의존적이며 숙신산의 생산 또한 화석연료를 기반으로 이뤄진다. 그러나 이는 화석연료의 고갈과 이에 따른 원류 가격의 지속적인 증가, 화석연료 기반 산업으로부터 발생되는 지구 온난화 등 매우 심각한 부작용을 낳는다. 또 급속도로 고갈돼 가는 화석연료를 대체할 수 있는 바이오 기반의 숙신산 생산은 필수적이다. 연구팀은 한우의 반추위에서 분리한 미생물인 맨하이미아(Mannheimia)의 대사회로를 조작해 숙신산을 생산하는 연구를 지속해 왔으며 이번에 세계 최고의 생산 효율을 지닌 숙신산을 생산할 수 있는 개량균주를 개발하는데 성공했다.
숙신산은 탄소 4개로 구성된 다이카복실산인데 대사과정에 있어 숙신산 한 분자를 생산할 때 이산화탄소 한 분자를 소모한다. 따라서 미생물 배양에 의한 숙신산 생산을 통해 이산화탄소의 저감에 기여한다. 연구팀은 이번 연구 과정에서 숙신산 전환에 핵심역할을 하는 효소의 구조를 밝히는 한편 단백질 공학을 통해 효소 성능을 개선했으며, 이를 전체 대사회로 최적화에 연계시키는 시스템 대사공학을 수행했다. 이를 통해 포도당, 글리세롤, 이산화탄소를 원료로 리터당 134g(그램)의 높은 농도로 숙신산을 생산하고 경제와 가장 밀접하게 연관되는 생산성이 시간당·리터당 21g(그램)에 달하는 등 매우 효율적인 공정을 개발했는데 이는 세계 최고의 효율성을 지닌 숙신산 생산 공정으로 평가를 받고 있다. 지금까지는 일반적으로 시간당·리터당 1~3g(그램)이 최고 수준이었다.
기후변화 등 환경 문제의 주범으로 꼽히는 화석연료에 대한 의존성을 대폭 낮추고 주요 산업 기반 화학물질인 숙신산을 효과적으로 생산할 수 있는 근간을 제시한 이번 연구 성과는 학계로부터 중요성을 인정받아, 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션지에 게재됐다. KAIST 이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 미생물 기반 바이오 숙신산 대량 생산 기술은 화학산업의 플랫폼 화학물질로 사용될 수 있는 숙신산을 보다 더 효율적으로 생산할 수 있기 때문에 환경친화적인 바이오화학 산업으로의 전환에 기여할 것”이라고 설명했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘C1 가스 리파이너리 사업’ 및 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’의 지원을 받아 수행됐다.
2020.05.06
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배상민 교수, 독일 iF 어워드 패키지부문 본상 수상
우리 대학 산업디자인학과 배상민 교수 연구팀(ID+IM 디자인 연구소)이 ‘제주용암수’ 생수병 디자인으로 세계 최고권위 디자인 대회인 2020 독일 iF 디자인 어워드 패키지 디자인 부문 본상을 받았다.
독일 하노버전시센터(Hannover Exhibition Center)에서 주관하는 iF 디자인 어워드는 세계 3대 디자인 대회 중 하나로, 60개국 7천 점 이상의 작품이 출품된다. 수상한 ‘제주용암수 디자인’은 ㈜오리온 제주 용암수와 KAIST와의 산학 협력으로 이루어진 프리미엄 미네랄 생수 디자인 프로젝트이다. 배상민 교수팀이 디자인한 생수병은 제주도의 아름다운 자연을 모티브로 주상절리와 바다의 수평선을 형상화한 세로 선과 가로섬을 활용해 단순하면서도 감각적인 디자인을 완성했다.
나아가 이러한 병의 형태는 획기적으로 적은 양의 재료를 사용함에도, 일반적인 형태의 플라스틱병에 비해 약 4배 정도의 고압 하중을 견뎌낼 수 있는 효율적인 구조이기 때문에 심미적 영역뿐 아니라 기능적 영역에서도 뛰어난 우수성을 보인다. 병 라벨에는 물을 통해 투과돼 보이는 신비로운 한라산과 밤하늘에 빛나는 오리온 별자리를 담아 제주 한라산의 낮과 밤을 감성적으로 그려냄과 동시에 ㈜오리온의 브랜드를 상징화했다.
배상민 교수는 “ 먼저 학생들과 산학 프로젝트로 연구한 결과물을 상품화해 대량생산되고 그 결과가 국제적 디자인 대회에서 인정받아 기쁘다”라며 제조 및 유통 공정상 디자인에 제약이 많은 상황이었지만 구조 및 기능적인 부분에 대한 고안과 외형의 아름다움까지 표현하려 노력을 기울였다”라고 말했다.
2020.02.18
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생명화학공학과 대학원생들, 시스템 대사공학 전략 발표
〈 양동수 박사과정, 박다현 석사과정, 최경록 박사과정, 조재성 박사과정, 장우대 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 대학원생 다섯 명이 대사공학과 시스템 생물학, 합성 생물학의 결합 시스템 등 대사공학 전반의 전략에 대한 논문을 발표했다.
생명화학공학과는 최근 박사학위를 마친 최경록 연구원과 장우대, 양동수, 조재성 박사과정, 박다현 석사과정이 친환경 화학물질 생산을 위해 필수적인 미생물 공장을 개발하는 전략을 총정리했다.
이 연구의 결과는 셀(Cell)지가 발행하는 생명공학 분야 권위 리뷰 저널인 ‘생명공학의 동향(Trends in Biotechnology)’ 8월호 표지논문 및 주 논문 (Feature review)에 게재됐다. (논문명 : Systems Metabolic Engineering Strategies: Integrating Systems and Synthetic Biology with Metabolic Engineering)
시스템 대사공학은 기존의 석유화학산업을 대체할 바이오산업의 핵심이 되는 미생물 균주를 보다 효과적으로 개발하기 위해 KAIST 생명화학공학과의 이상엽 특훈교수가 창시한 연구 분야다.
전통적 대사공학에 시스템 생물학, 합성 생물학 및 진화 공학 기법을 접목한 시스템 대사공학은 직관적 전략이나 무작위 돌연변이 유발에 의존하는 기존의 대사공학과 비교해 적은 비용과 인력, 짧은 시간 내에 산업에서 이용 가능한 고성능 균주 개발을 가능하게 만든다.
연구 기획 단계에서부터 실제 공장에서 균주의 발효 공정 및 발효를 통해 생산된 물질의 분리/정제 공정까지 고려함으로써 산업 균주 개발 도중 불필요한 시행착오를 최소화할 수 있다.
본 논문에서는 시스템 대사공학 전략을 연구의 흐름에 따라 ▲프로젝트 디자인 ▲균주 선정 ▲대사회로 재구성 ▲표적 화합물에 대한 내성 향상 ▲대사 흐름 최적화 ▲산업 수준으로의 생산 규모 확대 등 일곱 단계로 나누고, 각 단계에서 활용할 수 있는 최신 도구 및 전략들을 총망라했다.
더불어 바이오 기반 화합물 생산의 최신 동향과 함께 고성능 생산 균주를 보다 효과적으로 개발하기 위해 시스템 대사공학이 나아가야 할 방향도 함께 제시했다.
주저자인 최경록 연구원은 “기후 변화가 커지며 기존의 석유화학 산업을 친환경 바이오산업으로 대체하는 것이 불가피하다”라며 “시스템 대사공학은 산업에서 활용 가능한 고성능 생산 균주의 개발을 촉진해 바이오산업 시대의 도래를 앞당길 것이다”라고 말했다.
지도교수인 이상엽 특훈교수는 “그간 우리 연구실과 전 세계에서 수행한 수많은 대사공학연구를 우리가 제시한 시스템 대사공학 전략으로 통합해 체계적으로 분석 및 정리하고 앞으로의 전략을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”라며 “권위 있는 학술지에 주 논문이자 표지논문으로 게재된 훌륭한 연구를 수행한 학생들이 자랑스럽다”라고 말했다.
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.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’ 및 한화케미칼이 지원하는 KAIST-한화 미래 기술 연구소의 지원을 받아 수행됐다.
2019.07.24
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이상엽 특훈교수, 김현욱 교수, 인공지능 이용한 효소기능 예측 기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수와 김현욱 교수의 초세대 협업연구실 공동연구팀이 딥러닝(deep learning) 기술을 이용해 효소의 기능을 신속하고 정확하게 예측할 수 있는 컴퓨터 방법론 DeepEC를 개발했다.
공동연구팀의 류재용 박사가 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국 국립과학원 회보(PNAS)’ 6월 20일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Deep learning enables high-quality and high-throughput prediction of enzyme commission numbers)
효소는 세포 내의 생화학반응들을 촉진하는 단백질 촉매로 이들의 기능을 정확히 이해하는 것은 세포의 대사(metabolism) 과정을 이해하는 데에 매우 중요하다.
특히 효소들은 다양한 질병 발생 원리 및 산업 생명공학과 밀접한 연관이 있어 방대한 게놈 정보에서 효소들의 기능을 빠르고 정확하게 예측하는 기술은 응용기술 측면에서도 중요하다.
효소의 기능을 표기하는 시스템 중 대표적인 것이 EC 번호(enzyme commission number)이다. EC 번호는 ‘EC 3.4.11.4’처럼 효소가 매개하는 생화학반응들의 종류에 따라 총 4개의 숫자로 구성돼 있다.
중요한 것은 특정 효소에 주어진 EC 번호를 통해서 해당 효소가 어떠한 종류의 생화학반응을 매개하는지 알 수 있다는 것이다. 따라서 게놈으로부터 얻을 수 있는 효소 단백질 서열의 EC 번호를 빠르고 정확하게 예측할 수 있는 기술은 효소 및 대사 관련 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 한다.
작년까지 여러 해에 걸쳐 EC 번호를 예측해주는 컴퓨터 방법론들이 최소 10개 이상 개발됐다. 그러나 이들 모두 예측 속도, 예측 정확성 및 예측 가능 범위 측면에서 발전 필요성이 있었다. 특히 현대 생명과학 및 생명공학에서 이뤄지는 연구의 속도와 규모를 고려했을 때 이러한 방법론의 성능은 충분하지 않았다.
공동연구팀은 1,388,606개의 단백질 서열과 이들에게 신뢰성 있게 부여된 EC 번호를 담고 있는 바이오 빅데이터에 딥러닝 기술을 적용해 EC 번호를 빠르고 정확하게 예측할 수 있는 DeepEC를 개발했다.
DeepEC는 주어진 단백질 서열의 EC 번호를 예측하기 위해서 3개의 합성곱 신경망(Convolutional neural network)을 주요 예측기술로 사용하며, 합성곱 신경망으로 EC 번호를 예측하지 못했을 경우 서열정렬(sequence alignment)을 통해서 EC 번호를 예측한다.
연구팀은 더 나아가 단백질 서열의 도메인(domain)과 기질 결합 부위 잔기(binding site residue)에 변이를 인위적으로 주었을 때, DeepEC가 가장 민감하게 해당 변이의 영향을 감지하는 것을 확인했다.
김현욱 교수는 “DeepEC의 성능을 평가하기 위해서 이전에 발표된 5개의 대표적인 EC 번호 예측 방법론과 비교해보니 DeepEC가 가장 빠르고 정확하게 주어진 단백질의 EC 번호를 예측하는 것으로 나타났다”라며 “효소 기능 연구에 크게 이바지할 것으로 기대한다”라고 말했다.
이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 DeepEC를 통해서 지속해서 재생되는 게놈 및 메타 게놈에 존재하는 방대한 효소 단백질 서열의 기능을 보다 효율적이고 정확하게 알아내는 것이 가능해졌다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제 및 바이오·의료기술 개발 Korea Bio Grand Challenge 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 인공지능 기반의 DeepEC를 이용한 효소 기능 EC 번호 예측
2019.07.03
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