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세계 최초 맞춤형 미생물 균주 대량 생산기술 개발
- 고부가가치 산업원료 생산 균주를 간편하고 빠르게 개발할 수 있는 원천기술 확보 -
우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수와 유승민 연구교수 연구팀은 나일론 등 산업에 필요한 원료를 만드는 미생물 균주를 친환경 방법으로 쉽고 빠르게 대량 생산할 수 있는 ‘합성 조절 RNA’ 설계 원천기술을 세계 최초로 개발했다.
이번 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 프로토콜스(Nature Protocols) 9월호 표지논문으로 선정되어 8월 9일 게재(온라인판)됐다.
’합성 조절 RNA 설계 기술’은 기존에 산업 균주를 개량하거나, 아직까지 알려지지 않은 미개척 산업 균주 개발‧개량에 광범위하게 적용이 가능하여 비천연 고분자를 포함한 다양한 화학물질, 원료, 의약품 등을 보다 효율적으로 개발, 생산할 수 있는 핵심원천기술이다.
기존의 균주개발은 유전자 결실(knockout) 이라는 유전공학 기법을 이용하여 미생물 염색체 내의 유전자를 하나씩 제거하는 방법을 통해 미생물내의 생산 물질의 양이 증가하는지를 관찰하는 것이었다.
그러나 아무리 작은 미생물일지라도 수천 개 이상의 유전자로 이루어져 있기에 이런 접근 방법을 통해 생물체 대사회로내의 모든 유전자를 조절한다면 수개월에서 수년의 시간이 소요되고 대용량 실험이 매우 어려우며, 미생물의 생장을 저해하고 원치 않은 물질들이 생산되는 한계가 있었다.
이상엽 교수와 유승민 연구교수는 이러한 기존 방법의 한계 극복을 위해 해당 유전자와 결합되는 부위의 합성 조절 RNA 유전정보를 바꾸는 ‘합성 조절 RNA’ 설계법을 개발하였다.
이를 통해 대장균의 조절 RNA를 기본골격으로 하여 세포내 존재하는 유전자의 발현을 단백질 수준에서 제어할 수 있는 맞춤형 합성 조절 RNA를 3~4일내에 제작할 수 있는 원천기술을 개발하였다.
이렇게 설계된 합성 조절 RNA들은 미생물 게놈을 건드리지 않은 채 유전자 전달체에 삽입하여 제작되므로 여러 종류의 균주들과 여러 유전자들에 대하여 동시다발적인 대용량 실험이 가능하다.
또한, 다양한 균주에 적용시 고효율의 균주를 선별하거나, 유전자 발현조절 효율이 가장 좋은 목적 유전자를 선별할 수 있어 향후 조절 RNA 라이브러리(Library)까지 구축할 수 있다.
네이처 프로토콜스 편집자인 이탄 즈로토린스키(Eytan Zlotorynski) 박사는 “본 논문은 합성 sRNA를 디자인하고 응용하는데 필요한 상세한 프로토콜을 기술하고 있어 생명과학과 생명공학 분야 연구에 매우 널리 활용될 것이며, 특히 대사공학과 합성생물학 연구에서 유용할 것이다”라고 말했다.
KAIST 산학협력단 배중면 단장은 “본 원천기술에 대해 이미 해외 기업들이 관심을 표명하며 기술이전계약을 제안하고 있으므로 2년 이내에 기술이전이 이루어질 것으로 본다“고 밝혔다.
2013.08.09 조회수 15179 -
금 나노선 세포 주사기 개발
- 유전자를 세포 핵 안으로 직접, 원하는 순간에, 원하는 양만큼만 정교하게 전달-
우리 학교 연구팀이 금 나노선을 이용해 유전자를 살아있는 세포의 핵에 직접 전달할 수 있는 나노 주사기를 개발했다.
우리 학교 화학과 김봉수 교수와 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 공동 연구팀이 단결정 금 나노선에 유전자를 부착해 세포의 핵에 정교하게 찌른 후 전기 신호로 유전자를 전달하고 유전형질을 발현시키는데 성공했다.
연구결과는 나노 분야 세계적 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 2일자 온라인 판에 게재됐다.
인체는 약 100조 개의 세포로 이뤄진 대단히 복잡한 시스템이다. 각각의 세포는 주변 세포와 유기적으로 신호를 교환함으로써 인간의 고차원 생명활동을 수행한다. 생명현상을 이해하기 위한 첫 단계는 하나의 세포에서 일어나는 현상 및 세포 간의 신호 전달을 정확하게 밝혀내는 것이며, 이는 생물학, 바이오 연료전지, 신약 개발 분야 등에서 매우 중요하다.
단일 세포에 생활성(bioactive) 분자를 선택적으로 전달하는 기술은 세포 내 생체현상을 세밀히 규명하고 질병 치료법을 개발하는데 필수적이다. 세포에 주사기를 꽂고 물질을 전달할 때 세포를 다치지 않게 하는 것이 무엇보다도 중요한데 이를 위해 다양한 나노소재를 이용한 전달 방법이 연구되고 있다.
연구팀은 직경이 100나노미터 정도로 매우 가는 금 나노선에 DNA를 붙이고 이를 정확하게 세포핵에 찌른 후 외부에서 전기 신호를 보내 원하는 만큼의 유전자를 정확히 전달하는 나노주사기를 개발했다.
금 나노선 주사기로 DNA를 세포 핵 안으로 제대로 전달하면 세포는 DNA로부터 정보를 받아 단백질을 만들어낸다. 연구팀은 녹색 형광을 내는 단백질을 만드는 DNA를 세포 핵 안으로 전달한 뒤 세포에서 녹색 형광이 나오는 것을 관찰함으로써 DNA가 성공적으로 전달된 것을 확인했다.
금 나노선 나노주사기는 지금까지 보고된 DNA 전달 주사기 중 가장 가늘어서 세포에 상처를 전혀 주지 않고도 핵 안에 정교하게 삽입할 수 있다. 이 주사기를 이용하면 DNA를 세포의 핵 안으로 직접 정확히 전달함으로써 전달 효율을 크게 높일 수 있고 매우 정교한 유전물질 조절이 가능하다.
김봉수 교수는 이번에 개발한 금 나노선 주사기에 대해 “이 주사기는 세포 내부의 원하는 위치에, 원하는 시간에, 원하는 양만큼 유전 물질이나 단백질 등을 정교하게 전달해 원하는 대로 유전현상 및 세포현상을 조절 및 연구하는데 대단히 유용하다”며 “특히, 유전자 치료요법, 표적형 약물 전달 개발, 세포 내 신호전달의 연구에서 선도적 역할을 할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, KAIST 화학과 김봉수 교수와 이상엽 교수가 공동으로 주도한 이번 연구는 강미정 박사과정 학생과 유승민 박사가 참여했다.
2013.05.15 조회수 13290 -
합성 조절 RNA를 이용한 세포공장 기술 개발
- 네이쳐 바이오테크놀로지 온라인판 게재.“화학 산업을 대체할 생물 산업 발전의 새로운 전략으로 기대” -
우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀이 합성 조절 RNA 기술을 활용하여 세포공장*을 효율적이고 대규모로 구현하게 하는 새로운 기술을 개발했다. * 세포공장(Biofactory) : 세포의 유전자를 조작하여 원하는 화합물을 대량으로 생산하도록 만드는 미생물 기반의 생산 시스템
화석연료 고갈과 석유화학제품 사용에 의한 환경오염 등 인류가 직면한 문제를 해결하기 위해 친환경적이고 지속가능한 바이오산업이 대두되고 있으며 특히 바이오에너지, 의약품, 친환경 소재 등을 생산할 수 있는 세포공장 개발기술이 전 세계적으로 주목받고 있다.
우수한 세포공장 개발을 위해서는 원하는 화합물을 생산하는 유전자 선별과 높은 생산 효율의 미생물을 찾는 과정이 병행되어야 하나 기존의 연구방식은 미생물의 유전자를 하나씩 조작하여 복잡하고 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다.
우리 학교 나도균 박사와 유승민 박사가 참여한 이상엽 특훈교수 연구팀은 위와 같은 기술적 한계를 극복하기 위해 합성 조절 RNA를 제작하고 이를 활용하는 새로운 기술을 개발하였다.
특히 합성 조절 RNA를 이용한 이 기술은 기존 방식과 달리 균주 특이성이 없어 수개월이 소요되던 실험을 수일로 단축시킬 수 있어 획기적이다.
연구팀은 합성 조절 RNA 기술을 활용하여 의약 화합물의 전구체로 사용되는 타이로신(tyrosine)*과 다양한 석유화학 제품에 활용되는 카다베린(cadaverine)** 생산에 도입하여 세계 최고의 수율로 생산(각 21.9g/L, 12.6g/L)하는 세포공장을 개발하는데 성공하였다.
* 타이로신(tyrosine) : 스트레스를 다스리고 집중력 향상 효과가 있는 아미노산 ** 카다베린(cadaverine) : 폴리우레탄 등 다양한 석유화학 제품에 활용되는 기반물질
이상엽 교수는 “합성 조절 RNA기술로 다양한 물질을 생산하는 세포공장 개발이 활발해 질 것이며 석유에너지로 대표되는 화학 산업이 바이오 산업으로 변해 가는데 촉매제 역할을 할 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 밝혔다.“
이번 연구는 글로벌프론티어사업(지능형 바이오 시스템 설계 및 합성 연구단(단장 김선창))의 지원으로 수행되었으며 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 바이오테크놀로지 온라인 판에 1월 20일 게재되었다.
2013.01.21 조회수 18152 -
고효율 바이오부탄올 생산기술 개발
- 균주 생산수율 87%, 바이오에탄올 수준으로 끌어올려 -- 발효 공정 생산성 3배 이상 향상, 반면 분리・정제 비용은 70% 절감 -
친환경 차세대 에너지 ‘바이오부탄올’의 생산성을 기존 바이오에탄올 수준으로 크게 향상시킨 반면 비용은 대폭 줄어 든 기술이 KAIST와 국내기업 연구팀에 의해 개발됐다.
우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 GS칼텍스, 바이오퓨얼켐(주)와 공동으로 시스템대사공학 기법을 이용해 바이오부탄올의 생산성을 크게 향상시키면서도 경제성을 획기적으로 높인 공정을 개발하는데 성공했다.
바이오부탄올은 자동차 연료 첨가제로 이미 상용화된 바이오에탄올을 능가하는 친환경 차세대 에너지로 각광받고 있다.
바이오부탄올의 에너지밀도는 리터당 29.2MJ(메가줄)로 바이오에탄올(19.6MJ)보다 48%이상 높고 휘발유(32MJ)와 견줄만하다. 또 폐목재, 볏짚, 잉여 사탕수수, 해조류 등 비식용 바이오매스에서 추출이 가능하기 때문에 식량파동에서도 자유롭다.
특히, 휘발유와는 공기연료비를 비롯해 기화열, 옥탄가 등 여러 가지 연료 성능이 유사해서 현재 사용되고 있는 가솔린 엔진을 그대로 사용해도 되는 게 바이오부탄올의 큰 장점이다.
반면 바이오부탄올 생산을 위한 클로스트리듐 균주는 대장균이나 효모와는 달리 유전자 조작이 쉽지 않고, 또 복잡한 대사회로와 이에 대한 정보가 부족하기에 그동안 대사회로 재설계 자체가 어렵다는 점이 단점으로 꼽혀왔다.
이상엽 특훈교수는 자신이 창시한 시스템대사공학 기법을 도입해 산생성기와 용매생성기로 대변되던 대사회로모델 대신, 바이오부탄올 생산경로에 초점을 둔 대사회로 모델을 새롭게 고안해냈다.
연구팀은 새로운 대사회로 모델에서 바이오부탄올 생산경로를 직접경로(hot channel)와 간접경로(cold channel)로 정의했다.
이 대사회로 모델을 이용해 직접경로를 강화시키기 위한 대사공학을 수행해 이론수율 대비 49%의 생산수율을 나타내던 기존 균주를 87%까지 향상시킨 바이오부탄올 생산균주로 개량하는 데 성공했다.
연구팀은 이와 함께 GS칼텍스와 발효・분리공정 개발을 위한 연구를 수행해 흡착물질을 사용한 실시간 바이오부탄올 회수 및 제거 시스템을 개발하는 데 성공했다.
GS칼텍스와 공동연구 끝에 개발한 발효·분리공정 기술은 포도당 1.8kg을 이용해 585g의 부탄올을 생산했고, 한 시간에 리터당 1.3g 이상 생산했다. 이는 현존하는 세계 최고 수준의 농도, 수율, 생산성으로 발효 공정의 생산성을 3배 이상 향상시키면서 분리·정제 비용은 기존 대비 70%까지 절감했다.
이상엽 특훈교수는 “미국, 유럽 등 선진국에서 바이오연료로 상용화된 바이오에탄올 생산기술은 이론수율 대비 90%인데, 이번에 개발된 기술은 바이오에탄올의 수율에 육박한다”며 “수율측면에서는 차세대 연료인 바이오부탄올 생산 기술이 바이오에탄올 생산기술에 근접했음을 의미한다”고 이번 연구의 의미를 밝혔다.
이 교수는 또 “클로스트리듐 아세토부틸리쿰을 세계 최초로 시스템대사공학 기법으로 개량하고 새로운 발효·분리공정을 접목시켜 생산성을 획기적으로 향상시킨 사례”라며 “재생 가능한 자원으로부터 바이오부탄올 생산 공정의 산업화를 앞당기는 계기가 될 것”이라고 강조했다.
한편, 이번 연구 결과는 미생물분야 세계적 학술지인 ‘엠바이오(mBio)‘지 9·10월호 대표논문으로 선정돼 10월 23일자에 게재됐다.
그림설명. 바이오부탄올 생산 미생물인 클로스트리듐 균주의 전자현미경 사진에 핫채널과 콜드채널을 각각 빨간색과 녹색으로 표현. 화합물 구조는 부탄올.
2012.11.06 조회수 17388 -
미래의 석유화학산업, 바이오 리파이너리 시대가 온다
- KAIST 이상엽 특훈교수팀, 생명공학동향지 표지논문 게재 -
“바이오리파이너리”란 석유화학산업에서 원유의 정제를 통해 여러가지 제품을 생산하는 것과 같이, 해조류나 비식용생물자원과 같은 바이오매스(biomass)를 원료로 이용하여 여러 제품을 생산하고자 하는 개념이다.
“시스템 대사공학”을 통해 바이오매스로부터 다양한 화학물질 및 제품을 효과적으로 생산할 수 있는 새로운 기법과 전망이 국내 연구진에 의해 제시되었다.
우리 학교 이상엽 특훈교수팀이 수행한 이번 연구는 교육과학기술부 글로벌프론티어사업 차세대 바이오매스연구단의 지원을 받아 수행되었다. ※ 특훈교수 : 한국과학기술원(KAIST)에서 세계적 수준의 연구업적과 교육성과를 이룬 교수에 부여하는 호칭
그동안 기후변화, 자원고갈 등의 문제를 해결하기 위한 방안으로 바이오리파이너리에 대한 연구가 학계를 중심으로 활발히 진행되어 왔다.
특히, 연구자들은 과거 20년간 발전되어온 대사공학을 중심으로 미생물을 활용한 바이오매스의 활용가능성을 높여왔다.
그러나 아직 바이오매스로부터 여러 가지 바이오화학물질 및 소재들을 생산하기 위해서는 이들을 생산하는 미생물의 성능을 획기적으로 개선해야하는데, 기존의 대사공학연구는 주로 직관적인 방법으로 진행되어 많은 노력과 시간이 필요한 한계가 있었다.
이교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 대사공학을 중심으로 시스템생물학, 합성생물학, 진화공학을 융합한 “시스템 대사공학”이라는 새로운 기술체계를 확립했다.
시스템 대사공학은 세포 기반의 각종데이터를 통합하여 생리 상태를 다차원에서 규명하고, 이 정보를 바탕으로 맞춤형 대사조절을 함으로써 고효율 미생물 균주를 개발하는 기술이다.
시스템 대사공학을 활용할 경우, 미생물을 게놈수준에서 동시다발적으로 관찰 및 조작이 가능하여 미생물의 성능 개선을 위한 시간과 노력을 획기적으로 줄이고 그 활용 가능성을 극대화 할 수 있다.
본 논문의 제1저자인 이정욱 박사는 “시스템 대사공학을 통해 미생물의 성능을 획기적으로 향상시키는 기법을 최근의 연구흐름을 중심으로 전망하고 제시하였으며, 향후 바이오리파이너리 연구에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.“고 연구의 의의를 밝혔다.
연구 결과는 세계적 학술지인 ‘생명공학동향(Trends in Biotechnology)‘지 8월호 표지논문으로 선정되었다.
2011.07.27 조회수 16821 -
가상세포 이용해 병원균 잡는 항생제 개발
교육과학기술부는 미래기반기술개발사업(시스템생물학 연구)으로 지원한 우리학교 이상엽 교수팀(전남대 이준행교수, 생명(연), 화학(연) 공동연구)이 항생제에 내성을 가진 병원균 퇴치를 위해 시스템생물학을 기반으로 한 신약발굴 방법론을 개발했다고 밝혔다.
이 교수팀은 병원균이 항생제의 오남용으로 인해 치유가 쉽지 않은 점을 감안하여 내성 병원균의 가상세포를 만들어서 이에 대한 특성을 분석하여 제어하는 방법으로 효과를 입증했다.
이번 연구의 대상은 오염된 어패류에 의해 감염되는 패혈증의 병원균인 비브리오 불니피쿠스(Vibrio vulnificus, 이하 비브리오균) 중 내성균 2개이며, 이에 대한 게놈정보와 생물정보를 토대로 가상세포를 구축하였다.
이러한 가상세포가 생존하기 위해 필요한 화학물질은 193개로 분석되었으며, 이중에서 결정적 역할을 수행하는 5개의 화학물질을 추출하였으며, 이에 관여하는 유전자를 제거함으로써 내성 비브리오균의 성장이 억제되는 효과를 증명하였다.
이 교수팀의 연구결과는 올해 1월 18일 세계적 권위의 네이처 자매지인 ‘분자시스템생물학 (Molecular Systems Biology)지’에 논문으로 게재되어 세계적으로도 연구의 우수성이 인정되었다.
이러한 시스템생물학 기법에 근거한 신약발굴 방법론은 다른 내성 병원균은 물론 다양한 인간 질병에도 적용할 수 있는 토대를 마련한 것으로 기대된다.
2011.01.19 조회수 15718 -
이상엽 교수, 가상세포 방법론 개발
- 미국 국립과학원회보 게재, "가상세포 시스템 활용 대사특성 예측 기술 개발" -
우리학교 이상엽 교수 연구팀이 생명체의 세포를 체계적으로 분석하여 세포 전체의 대사적 특성을 정확하게 예측할 수 있는 "가상세포 방법론"을 개발했다.
이 연구는 교육과학기술부 "미래기반기술사업(시스템생물학 연구개발)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 세계적 저명 학술지인 「미국 국립과학원 회보 (PNAS)」誌" 8월 2일자 온라인판에 게재되었다.
환경문제와 질병에 대한 관심도가 나날이 높아짐에 따라 의학적인 용도 및 일상생활에 널리 쓰이는 화학물질이나 바이오연료 등을 바이오기반으로 생산하는 것이 더욱 중요해 지고 있다. 이러한 유용한 물질들은 상당수 미생물을 사용하여 개발하는데, 이를 위해 미생물의 체계적인 분석과 개량 연구가 필요하다. 이에, 전체적인 관점에서 복잡한 생명체의 대사를 체계적으로 파악할 수 있는 방법의 개발이 요구되어 왔다.
가상세포는 컴퓨터시스템으로 실제세포를 모사하여 연구하고자하는 생명체의 세포를 체계적으로 분석하는 중요한 도구이다.
이상엽교수 연구팀은 생명체의 정확한 모사를 위한 가상세포 시스템을 개발하였다. 이를 이용하여 얻어진 가상세포 예측 결과들은 실제 세포 실험으로 측정된 결과와 비교하여 정확도가 획기적으로 개선되었다. 이로써 보다 정확한 가상세포 예측이 가능하여 실제 생명체의 분석연구에서 시간과 비용을 큰 폭으로 줄일 수 있게 되었다.
이번 가상세포 방법론의 개발은 국내뿐 아니라 세계생명공학 분야에서 새로운 패러다임을 제공하여, 생명체의 분석과 개량연구에 소모되는 시간과 비용을 절감할 수 있게 되었으며, 또한 이번에 개발한 방법론은 게놈 염기서열이 분석된 모든 생명체에 적용이 가능하기 때문에 다양한 산업적, 의학적 응용을 위한 미생물 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
2010.08.04 조회수 15363 -
이상엽 교수, 초고분자량 거미 실크 단백질 생산기술 개발
- 초고분자량의 거미 실크 단백질이 거미줄을 강하게 만든다는 사실 밝혀 -- 첨단 초강력 섬유소재로의 활용 기대 -
우리학교 이상엽 특훈교수는 서울대 박명환 교수팀과 공동으로 세계적으로 이제까지 생산하지 못했던 ‘초고분자량의 거미 실크 단백질’을 대사공학으로 개량된 대장균을 이용하여 생산하였다고 발표하였다. 이 초고분자량의 단백질로 만든 거미 실크 섬유는 강철보다 강한 성질을 나타냄을 밝혔다.이 연구는 교육과학기술부가 2009년부터 추진하고 있는 ‘신기술융합형 성장동력사업(바이오제약 사업본부장 수원대 임교빈 교수, 분자생물공정 융합연구단장 KAIST 김정회 교수)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 특허 출원 중으로 세계적 저명 학술지인 「미국 국립과학원 회보 (PNAS)」誌’ 7월 26일자 온라인판에 게재되었다.
거미가 만드는 초고분자량의 실크 섬유는 미국 듀폰(Dupont)社의 고강력 합성섬유인 케블라(Kevlar)에 견줄 강도를 갖고 있으며, 탄성력이 뛰어나 의료산업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 것으로 알려져 있다. 거미 실크 섬유의 우수한 특성 때문에 그동안 효모, 곤충, 동물세포, 형질전환식물, 대장균을 비롯한 여러 생체 시스템을 활용하여 거미실크를 대량 생산하는 기술을 개발하려는 많은 시도가 있어 왔다.그러나 지금까지는 글리신 등 특정 아미노산이 반복적으로 많이 존재하는 거미 실크 단백질의 특수성으로 인해 고분자량의 거미실크를 인공적으로 생산할 수 없었다.
이러한 기존 기술의 한계와 달리, 우리학교 생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀은 고분자량의 거미실크 단백질 (황금 원형 거미; Nephila clavipes 유래)을 생산하는 대장균을 대사공학적으로 새로이 개발하고, 이를 활용함으로써 고성능의 거미실크섬유를 인공적으로 합성하는데 성공하였다.
우선, 연구팀은 비교 단백체 분석 등 시스템 대사공학 기법을 이용하여 거미 실크 단백질을 생산할 때 대장균 내에 글리실-tRNA의 부족 현상이 일어남을 밝혀냈다. 그리고 이 문제의 해결을 위해 관련 유전자들을 증폭 또는 제거 하는 등 대장균의 대사를 재구성함으로써 대장균으로부터 세계 최고 수준의 반복단위수를 가진 285 kDa에 달하는 거미실크 단백질을 성공적으로 합성해 낼 수 있었다.
또한, 대장균에서 생산된 거미 실크 단백질을 분리‧정제한 후에 생체 모방 기술을 이용한 스피닝 작업을 통해 실크 섬유 형태로 제작하였다. 이렇게 만들어진 거미 실크 섬유의 물성을 측정한 결과 강도 (tenacity) 508 MPa, 인장탄성율 (Young"s modulus) 21 GPa를 보여 케블라 수준의 강도를 가지게 된다는 사실을 확인하였다. 기존에는 285 kDa이나 되는 큰 거미 실크 단백질의 생산이 불가능하여 고강도의 거미 실크 섬유를 만들 수 없었는데, 이번 연구를 통해 가능하게 되었다.
이상엽 교수는 “이번 연구는 바이오기반 화학 및 물질 생산시스템 개발의 핵심기술인 시스템 대사공학적 방법을 통해 기존의 석유화학 제품과 대체 가능한 고성능의 섬유를 생산하는 기반기술을 확립하였다는 데 그 의의가 있으며, 향후 생산시스템 향상과 물성 연구를 계속 수행하여 실용화하고 싶다.”라고 밝혔다.
2010.07.28 조회수 24444 -
가상세포를 이용한 병원균의 약물표적 예측기술 개발
- 가상세포 시스템 활용한 새로운 항생제 개발에 큰 파급효과 기대
- 분자 바이오시스템(Molecular BioSystems)지 표지 논문으로 게재
생명화학공학과 이상엽(李相燁, 46세, LG화학 석좌교수, 생명과학기술대학 학장)특훈교수팀이 항생제에 내성을 가지는 병원성 미생물의 가상세포를 구축하고 이를 이용해 병원균의 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 약물 표적을 예측하는 기술을 최근 개발했다.
김현욱(생명화학공학과 박사과정)연구원의 학위 논문연구로 수행한 이번 연구 결과는 유럽 화학 관련 학술단체 RSC(The Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 분자 바이오시스템(Molecular BioSystems)지의 2월호 표지 논문으로 게재됐다.
예전에는 병원성 세균들을 항생제로 쉽게 치유할 수 있었지만 이제는 항생제의 오남용으로 인해서 병원균들은 항생제에 대한 내성을 가지게 됐으며, 따라서 한 번 감염이 되면 치유가 이전보다 쉽지 않다.
그 대표적인 병원균이 바로 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannaii)다. 본래 흙이나 물에서 쉽게 발견되는 이 미생물은 항생제에 내성을 갖지 않아 치료가 쉽고 건강한 사람은 잘 감염되지 않는 균이었다. 그러나 지난 10년 동안에 항생제에 내성을 갖는 슈퍼박테리아로 변했으며, 이라크 전쟁에 참전한 다수의 미군과 프랑스군도 이 균에 감염되면서 상처가 낫질 않아 많은 희생을 야기했다.
李 교수 연구팀은 아시네토박터 바우마니의 게놈과 전체적인 대사특성을 알아보기 위해 각종 데이터베이스에 산재해 있는 생물정보와 문헌정보를 컴퓨터에 입력, 분석, 디자인하여 가상세포를 구축하고, 다양한 네트워크 분석기법, 필수 대사반응 및 대사산물 분석 등 융합 방법론을 이용해 이 병원균의 성장을 효과적으로 차단할 수 있는 약물표적을 예측했다. 인간에게는 영향을 미치지 않으면서 병원균에게만 작용하는 최종 약물표적들이다.
필수 대사반응은 생명체가 대사활동을 정상적으로 하기 위하여 반드시 필요한 효소반응을 말하며, 필수 대사산물이란 생명체가 생존하기 위해 대사에 반드시 필요로 하는 화학물질로서 이들을 제거할 경우 이와 반응을 하는 효소들을 모두 억제되는 효과가 있다.
이 약물표적은 가상세포를 구성하고 있는 대사 유전자, 효소 반응, 신진대사들의 기능을 짧은 시간 안에 빠짐없이 체계적으로 검토해 예측함으로써 그 신뢰성을 높였다.
이번 연구 결과는 최근 많은 관심을 받고 있는 시스템 생물학 연구기법을 이용하여, 처음으로 필수 대사물질의 체계적인 발굴을 통해 효과적인 약물표적을 찾고, 나아가 새로운 항생제 개발의 가능성을 열었다는 점에서 높이 평가받고 있다. 또한 병원균에 의한 감염 현상과 신약개발에 큰 공헌을 할 것으로 기대를 모으고 있다.
李 교수는 “현재 수많은 생물의 게놈 정보가 쏟아지고 있지만 이것을 실질적으로 유용한 정보로 전환하는 데에는 아직도 많은 어려움이 있다. 아시네토박토 바우마니의 게놈 정보로부터 의학적으로 실용성이 있는 정보를 재생산했다는 점에서 의의가 있다”며 “특히 이 병원균의 가상세포 개발은 특정 환경에서 필수 유전자나 효소 반응에 대한 대량의 새로운 생물정보를 제공할 수 있는 계기를 마련했다.”고 말했다.
李 교수팀은 교육과학기술부 시스템 생물학 연구개발사업의 지원으로 이번 연구를 수행했으며, 다양한 병원성 균주의 가상세포 개발 및 항생제 약물표적 예측 방법을 특허 출원했다.
▣ 용어설명 ○ 약물표적 : 차단 시 병원성 미생물의 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 단백질 효소 및 그와 관련된 화학물질
▣ (자료1) 가상세포.
(자료2) 가상세포로부터 필수대사산물을 예측한 후에, 병원균을 가장 효과적으로 죽일 수 있으면서 동시에 인간에게는 영향을 미치지 않는 약물표적만을 추리는 과정
2010.02.18 조회수 17998 -
대사공학적으로 개량된 박테리아로 범용 플라스틱 생산기술 개발
- 이상엽 교수팀과 LG 화학 연구팀 공동개발
- 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링(Biotechnology and Bioengineering)지 게재예정
생명화학공학과 이상엽(李相燁, 45세, LG화학 석좌교수, 생명과학기술대학 학장) 특훈교수팀과 LG화학 기술연구원(원장 유진녕) 박시재, 양택호박사팀이 4년여 간의 공동연구를 통해 박테리아를 이용하여 재생 가능한 바이오매스로부터 플라스틱을 생산하는 기술을 최근 개발했다.
교육과학기술부 시스템생물학 연구개발 사업과 LG화학 석좌교수 연구비로 지원된 이번 연구에서는 시스템 대사공학과 효소공학 기법을 접목, 자연적으로는 생성되지 않는 플라스틱(unnatural polymer)의 일종으로 최근 각광을 받고 있는 폴리유산(Polylactic acid, PLA)을 효율적으로 생산할 수 있는 대장균을 개발한 것이다.
이번 연구 결과는 바이오공학 분야 최고 전통의 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링(Biotechnology and Bioengineering)지에 게재 승인됐으며 스포트라이트 논문(Spotlight paper)으로 선정돼 2010년 1월호에 두 편의 연속 논문으로 게재될 예정이다.
두 논문의 제목은 ‘개량된 프로피오네이트 코엔자임 에이 트랜스퍼레이즈와 폴리하이드록시알카노에이트 중합효소를 이용한 폴리유산과 그의 공중합체의 생합성(Biosynthesis of Polylactic acid and its Copolymers Using Evolved Propionate CoA Transferase and PHA Synthase)’과 ‘폴리유산과 그의 공중합체의 생산을 위한 대장균의 대사공학(Metabolic Engineering of Escherichia coli for the Production of Polylactic Acid and its Copolymers)’이다. 19건의 특허가 전 세계 출원 중이다.
기존의 복잡한 2단계 공정을 통해 생산되던 폴리유산을 재생가능한 원료로부터 미생물의 직접 발효에 의해 생산이 가능하도록 한 혁신적인 본 연구 전략은 앞으로 석유 유래 플라스틱을 대체할 수 있는 다양한 비자연 고분자(unnatural polymer)들의 생산에 활용될 획기적인 기술로 평가되고 있다.
폴리유산 (Polylactic acid, PLA)은 많은 바이오매스 유래 고분자들 중에서도 생분해성, 생체적합성, 구조적 안정성, 그리고 낮은 독성과 같은 뛰어난 물성으로 인해 석유 유래 플라스틱의 대체물로서 대두되고 있다.
그러나, 폴리유산은 현재 두 단계 공정으로 합성된다. 우선, 미생물 발효를 통해 유산(락트산, Lactic acid)을 생산, 정제한 후 여러 가지 시약, 용매 및 촉매가 첨가되는 복잡한 공정의 화학적 중합반응에 의해 폴리유산이 합성된다.
또한, 폴리유산의 물성을 다양하게 개선하기 위해 폴리하이드록시알카노에이트 (Polyhydroxyalkanoate, PHA)와 같은 다른 고분자들과의 공중합이나 혼합반응 등의 연구가 이루어지고 있다.
이러한 노력에도 불구하고, 공중합 반응에 사용되는 락톤계 모노머들의 가용성과 비용을 고려했을 때, 기존의 화학적 합성 방법은 효과적이지 않다. 이에, 미생물 유래 고분자인 폴리하이드록시알카노에이트의 생합성 시스템을 기반으로, 폴리유산과 그의 공중합체들의 생합성이 가능할 수 있는 대사경로를 효소공학을 통해 구축했다.
그러나, 외래 대사경로의 도입 및 조작만으로는 폴리유산 단일 중합체와 유산의 함량이 높은 공중합체의 생산이 효율적이지 않아, 시스템 수준으로 세포 내 대사흐름을 증가시킬 필요성을 인지했다. 이에, 대장균 균주의 인실리코 게놈 수준의 시뮬레이션을 이용한 대사흐름분석 기법을 활용하여 고분자 생산을 위한 주요 전구체의 대사 흐름을 논리적으로 강화시킴으로써, 세포성장과 함께 목적 고분자의 효율적 생산이 가능하도록 했다.
따라서, 효소공학을 통한 고분자 합성 경로의 직접적 조작 및 강화 뿐 아니라, 시스템 대사공학을 통한 논리적 접근으로 조작된 대사흐름을 바탕으로 다양한 폴리유산 플라스틱을 보다 효율적으로 생산할 수 있었다.
이는 시스템 대사공학과 효소공학을 접목시킨 고기술 전략으로 비자연 고분자를 효율적으로 생산한 최초의 성공적인 예로서, 재생가능한 자원으로부터 폴리유산뿐 아니라 석유유래 플라스틱을 대체할 수 있는 다른 비자연 고분자들의 일단계 생산을 위한 기반 기술을 마련해줌으로써, 플라스틱 생산 공정에 있어 새로운 전략을 제시했다.
李 교수는 “자연계에 없는 고분자를 미생물로 생산하는 것이 과연 될까? 라는 의문을 갖고 시작했다. 우리 KAIST 연구실의 정유경박사와 LG화학 기술연구원 연구팀원 10여명이 4년간의 끈질긴 노력 끝에 성공했다”며, “이번 연구는 대장균의 가상세포 시뮬레이션을 통해 세포 내 대사흐름을 목적한 고분자 생산에 유리하도록 논리적으로 조작하고, 고분자 생합성 경로를 구성하는 외래 효소들을 새롭게 만들어 도입함으로써, 강화된 대사흐름을 이용해 보다 효율적으로 목적 고분자를 생산할 수 있는 균주를 개발하는데 성공한 세계 첫 번째 케이스다. 특히, 유산이 단량체로 함유된 공중합체의 경우에는 세계최초로 만든 것이 되어 물질특허들로 출원중이다”라고 밝혔다.
한편, 이 혁신적인 연구 성과는 22일 미국 CNN 홈페이지의 Top기사 등 해외언론의 주요기사로 소개됐다. 주요내용은 한국의 KAIST 이상엽 교수팀과 LG화학 연구팀이 전 세계적으로 석유고갈, 지구온난화 및 환경오염 문제로 재생가능한 자원을 이용한 바이오매스 기반 기술의 개발이 시급한 현 시대의 흐름에 부응하면서, 재생가능한 자원으로부터 효율적으로 바이오공학을 통한 플라스틱 (Bioengineered plastics) 폴리유산의 생산이 가능한 대장균 균주를 개발했다는 내용이다.
2009.11.24 조회수 24773 -
이상엽 특훈교수팀, 대사공학기술로 바이오매스로부터 나일론 원료를 생산하는 녹색기술 개발
- 화석원료 기반의 화학산업에서 바이오 기반 녹색 화학산업으로 -
우리대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(45, 생명과학기술대학 학장, 바이오융합연구소 공동소장, LG화학 석좌교수)팀이 대사공학 기술을 이용하여 대장균으로부터 나일론의 원료가 되는 다이아민(diamine)을 효율적으로 생산하는 시스템을 최근 개발했다.
이 연구결과는 미국 와일리-블랙웰(Wiley-Blackwell)사가 발간하는 가장 오랜 전통의 공학계열 생명공학 학술지인 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링지(Biotechnology and Bioengineering) 27일자 온라인 판으로 소개됐다.
현재, 의약을 제외하고도 1,800조원 시장 규모의 화학 물질들은 주로 화석원료에 기반한 석유화학 공정으로 생산돼 왔다. 이 연구결과는 세계에서 처음으로 나일론 등의 원료로 쓰이는 1,4-다이아미노부탄 (1,4-diaminobutane), 일명 푸트레신 (putrescine)을 석유화학공정이 아닌 포도당이나 설탕과 같은 바이오매스 유래 원료로부터 대사공학으로 개량된 대장균을 이용하여 생산하는 기술을 제공하고 있다.
와일리(Wiley)사는 이 연구결과를 향후 석유화학 산업을 환경 친화적인 바이오기반 화학산업으로 바꾸는데 핵심이 되는 대사공학의 적용 예를 잘 보인 것으로 높이 평가하여 지난 27일 보도자료를 통해 언론에 소개하기도 했다.
李 교수는 “본 연구는 교육과학기술부의 시스템생물학 연구개발 사업의 결실 중에 하나로서, 다이아민을 바이오 기반 환경 친화적인 공정으로 생산할 수 있다는 것을 보여준 좋을 예라고 생각한다. 본 기술에 이용된 시스템대사공학 기법은 다른 화학물질의 바이오 기반 생산도 효율적으로 가능하게 할 것이다. 현재 특허 출원된 본 기술 관련하여 박사학위 주제로 잘 수행한 취안지강(Qian Zhi Gang) 박사와 시아샤시아(Xia Xiao Xia) 박사와 함께 다른 다이아민 생산 공정도 개발 중이다”고 밝혔다.
바이오테크놀로지 바이오엔지니어링지의 50주년 기념해를 맞이하여 투고한 본 논문은 학술지의 표지논문, 스포트라이트 논문, 그리고 편집장 우수 논문으로 동시에 선정되기도 했다.
KAIST 관계자는 “이 교수팀은 세계적인 대사공학 연구 전문그륩으로서 이 기술을 이용한 산업바이오텍 기술 개발에서 탁월한 연구 결과들을 내 놓고 있다. 우리나라에서 주도하고 있는 녹색성장의 핵심 전략으로 바이오 기반 화학산업을 발전시키는데 크게 기여할 수 있을 것으로 생각한다.”고 했다.
李 교수는 내년 6월 제주도에서 개최되는 세계 대사공학 학술회의의 의장으로 최근 추대됐으며, 지난 달 미국 듀퐁사, 델라웨어주립대학교, 마이크로소프트사, 스탠포드대학교, 캘리포니아 버클리 주립대학교, 시스템생물학연구소 등에서 시스템대사공학을 통한 산업바이오텍을 주제로 초청강연을 하는 등 대사공학 연구를 선도하고 있다.
2009.08.31 조회수 20924 -
이상엽교수팀, 시스템생물학 기반 산업용 미생물 개발 전략 제시
-생명공학분야 권위 리뷰지 “생명공학의 동향 (Trends in Biotechnology, Cell Press)” 표지 논문 게재
우리학교 생명화학공학과 및 바이오융합연구소 이상엽(李相燁, 44세, LG화학 석좌교수) 특훈교수와 바이오융합연구소 박진환(朴軫煥, 38세) 박사 연구팀이 다가오는 산업바이오텍 시대에 경쟁력을 갖추기 위한 시스템 생물학 기반의 미생물 대사공학 전략을 개발했다. 이 연구 결과는 셀(Cell)誌가 발행하는 생명공학 분야 최고 권위 리뷰지인 생명공학의 동향(Trends in Biotechnology) 8월호 표지 논문에 게재됐다. 교육과학기술부 게놈 정보 활용 통합 생물공정 개발 사업의 일환으로 수행한 이번 연구는 산업용 미생물을 개발함에 있어 유전체 및 기능 유전체 정보와 가상세포 시뮬레이션을 통합 적용하고, 발효 및 분리정제 공정까지 고려한 대사공학 방법을 제시함으로서 다가오는 바이오 기반 산업 시대에 경쟁력을 갖는 균주 개발 전략을 체계적으로 제시한 것으로 평가됐다.
유가가 고공행진을 계속하고 지구온난화 등 환경문제가 심각하게 대두되는 지금 세계 각국은 바이오매스를 이용하여 화학, 물질, 에너지 등을 생산하는 바이오기반 산업 시스템 구축에 박차를 가하고 있다. 미생물을 이용한 산업바이오텍 공정이 경쟁력을 갖추기 위해서는 자연계에서 분리된 미생물의 낮은 성능을 대폭 향상시키기 위하여 대사공학으로 미생물을 개량하여야 한다. 기존의 산업바이오텍에 사용되는 미생물 균주 제조 방법과 공정개발은 무작위 돌연변이화 및 균주의 일부분만 직관적으로 조작하는 방법에 의해 수행되었다. 하지만 이들은 원하지 않은 부분에도 돌연변이를 일으켜, 균주 전체의 대사 상태를 한눈에 볼 수 없으며, 향후 환경이 바뀌었을 때 추가 개발이 용이하지 않다는 단점이 있었다. 李 교수 연구팀은 시스템 생물학의 원리에 입각하여 크게 3 단계로 나누어 체계적으로 미생물을 개발하는 새로운 전략을 제시하였다. 1단계에서는 미생물의 조절 기작 등 연구를 통해 알게 된 사실에 기반하여 게놈상의 필요한 부위만을 조작, 초기 생산균주를 제작한다. 2단계에서는 시스템 수준의 분석을 통하여 확보한 오믹스 데이터와 가상세포의 시뮬레이션 결과를 융합, 세포내의 대사흐름 최적화를 통해 목적 산물을 최고 수율로 생산할 수 있는 균주를 제작한다. 마지막 3단계에서는 실제 생산 공정 개발 단계에서 생길 수 있는 문제점들을 시스템 생물학 기법에 입각하여 해결함으로써 우수 산업용 균주의 제조를 완료한다. 이 전략은 시스템 생물학 원리를 이용하여 균주 전체의 생리 대사 현상을 한눈에 파악하면서 균주의 대사공학적 개량이 가능하다는 점에서 기존의 방법과는 차별된 한 차원 높은 수준의 균주개발 전략이라고 할 수 있다.
이번 논문의 첫 번째 저자인 朴 박사는 "최근 연구팀에서 수행 중인 시스템 생물학 기법을 이용한 실제 균주 제작 과정의 경험과 결과를 토대로 전략을 확립 제시하였기 때문에 실제 생명공학 산업계에 종사하는 연구자들에게 실질적인 도움이 될 것으로 생각한다“고 말했다. 李 교수팀은 실제로 이 전략을 이용하여 최근 용도가 다양한 숙신산을 고효율로 생산하는 미생물과 고수율의 아미노산 (발린, 쓰레오닌) 생산균주, 바이오부탄올 생산균주 등을 개발한 바 있다.
<용어설명>
1) 가상세포: 세포내에서 일어나는 모든 효소 반응을 컴퓨터에서 재구성하여 실제 세포처럼 반응 시켜 결과를 예측하는 시스템을 말한다.
2) 대사공학: 세포의 대사 및 조절 회로를 체계적으로 조작하여 원하는 생산물을 고효율로 생산할 수 있도록 만드는 기술을 말한다.
3) 오믹스 (omics): 세포 또는 개체 내에서 발현되는 단백체(proteome), 전사체(transcriptome), 대사체(metabolome), 흐름체(fluxome) 등 생명현상과 관련된 중요한 물질에 대한 대량의 정보를 획득하여 이를 생물정보학 기법으로 분석하여 전체적인 생명현상을 밝히려는 학문이다4) 시스템 생물학 (systems biology): 각종 오믹스(transcriptome, proteome, fluxome, metabolome) 데이터를 융합하고 전산 생물학 기법으로 해석하여 세포의 생리 상태를 다차원에서 규명함으로써 세포와 생명체 전체를 이해하고자 하는 학문이며, 이 플랫폼을 기반으로 유용한 미생물의 개발이 가능하다.
2008.07.24 조회수 23632