환경오염, 기후변화, 고갈되어가는 화석원료에 대한 문제를 해결하기 위해 재생가능한 자원으로부터 케미칼 및 고분자 등의 산업자원을 생산하는 친환경 공정개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 최근에 재생가능한 바이오매스로부터 다양한 케미칼 및 고분자 등을 생산하는 바이오리파이너리 공정이 많은 관심을 받고 있으며, 석유화학기반산업을 보완 혹은 대체할 가능성이 매우 높은 친환경공정으로 생각되고 있다. 본 총설에서는 바이오리파이너리 공정에 핵심적인 촉매로 사용되고 있는 재조합 미생물의 개발의 최근 동향을 바이오나일론, 바이오폴리에스터의 생산을 위하여 개발되고 있는 재조합 미생물의 대사공학전략을 중심으로 살펴보고자 한다.
환경오염, 기후변화, 고갈되어가는 화석원료에 대한 문제를 해결하기 위해 재생가능한 자원으로부터 케미칼 및 고분자 등의 산업자원을 생산하는 친환경 공정개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 최근에 재생가능한 바이오매스로부터 다양한 케미칼 및 고분자 등을 생산하는 바이오리파이너리 공정이 많은 관심을 받고 있으며, 석유화학기반산업을 보완 혹은 대체할 가능성이 매우 높은 친환경공정으로 생각되고 있다. 본 총설에서는 바이오리파이너리 공정에 핵심적인 촉매로 사용되고 있는 재조합 미생물의 개발의 최근 동향을 바이오나일론, 바이오폴리에스터의 생산을 위하여 개발되고 있는 재조합 미생물의 대사공학전략을 중심으로 살펴보고자 한다.
As the concerns about environmental problems, climate change and limited fossil resources increase, bio-based production of chemicals and polymers from renewable resources gains much attention as one of the promising solutions to deal with these problems. To solve these problems, much effort has bee...
As the concerns about environmental problems, climate change and limited fossil resources increase, bio-based production of chemicals and polymers from renewable resources gains much attention as one of the promising solutions to deal with these problems. To solve these problems, much effort has been devoted to the development of sustainable process using renewable resources. Recently, many chemicals and polymers have been synthesized by biorefinery process and these bio-based chemicals and plastics have been suggested as strong candidates to substitute petroleum-based products. In this review, we discuss current advances on the development of metabolically engineered microorganisms for the efficient production of bio-based chemicals and polymers.
As the concerns about environmental problems, climate change and limited fossil resources increase, bio-based production of chemicals and polymers from renewable resources gains much attention as one of the promising solutions to deal with these problems. To solve these problems, much effort has been devoted to the development of sustainable process using renewable resources. Recently, many chemicals and polymers have been synthesized by biorefinery process and these bio-based chemicals and plastics have been suggested as strong candidates to substitute petroleum-based products. In this review, we discuss current advances on the development of metabolically engineered microorganisms for the efficient production of bio-based chemicals and polymers.
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문제 정의
본 총설에서는 바이오리파이너리 및 바이오화학산업의 핵심적인 생산물질 중의 하나인 바이오 플라스틱 생산기술에 적용되는 미생물의 대사공학적 개량을 위한 전략 등에 대해서 살펴보았다. 바이오리 파이너리의 성공적인 산업화를 위해서는 기존 석유화학산업의 인프라에 효율적으로 적용되어야 할 뿐 아니라, 생산물질의 생산성, 물성 등이 석유화학산업 유래의 물질들과 동등하거나 우수해야 함은 당연하다.
대표적인 연구성과로 바이오연료 분야에 butanol[4-6], higher alcohol[7], 바이오케미칼 분야에 diamines[8,9], aminocaboxylic acids[10,11], 1,4-butanediol[12], 3-hydroxypropionic acid[13], succinic acid[14-16] 바이오플라스틱 분야에 polylactic acid (PLA)[17-19], polyhydroxyalkanoates (PHAs)[20-23], nylon4[10]와 같은 bionylon 등을 들 수 있다. 본 총설은 이 세가지 분야 중 바이오플라스틱 분야에 적용되고 있는 미생물 플랫폼 개발을 위한 대사공학 전략의 최신동향을 현재 큰 관심을 받고 있는 bionylon과 PLA의 생산공정에 핵심적인 촉매로 적용되고 있는 미생물 호스트의 개량을 중심으로 논의하고자 한다.
제안 방법
Le Vo 등은 대장균 유래 GAD, glutamate/GABA antiporter (GadC), GABA aminotransferase (GabT) 등이 GABA 생산시 어떤 영향을 미치는지에 대해 재조합 대장균을 이용하여 규명하였다[31]. GadC의경우 배지에 존재하는 MSG의 셀 내부로의 흡수 및 셀 내부에서 생성된 GABA의 배지로의 분비에 영향을 끼치기 때문에 GAD와 동시에 과발현하여 그것의 영향을 알아보았고, GabT는 생성된 GABA를 이용하여 succinic semialdehyde를 만드는 효소이기 때문에 셀에서 제거하여 제거효과를 알아보았다. gabT 뮤턴트 균주에서 GAD와 GadC를 동시에 발현하였을 때 10 g/L의 MSG로부터 5.
Jung 등은 재조합 대장균 XL1-Blue의 대사회로를 lactate를 효율적으로 생산하도록 개량함으로써 PLA 호모폴리머를 합성하는 대사회로를 구축할 수 있었다[35,41]. Lactate의 생산을 강화하기 위하여 lactate를 합성하는데 필수적인 lactate dehydrogenase (LdhA) 유전자의 프로모터를 크로모좀상에서 강한 프로모터인 trc 프로모터로 치환하였다. 또한 lactate 생산대사회로의 경쟁회로인 아세트산, 에탄올, 숙신산 생산대사회로를 제거하기 위하여 ackA, pflB, frdABCD, adhE 등의 유전자를 크로모좀 상에서 제거하였으며, CoA 공여체의 증가를 위하여 acetate를 이용하여 acetyl-CoA를 합성하는 acs유전자의 프로 모터를 trc프로모터로 치환하였다.
Yang 등은 lactate containing polyester를 합성하는 재조합 미생물을 제작하기 위해서 위의 두가지 대사회로를 재조합 대장균을 통해 검증 하였다[36]. Lactyl-CoA를 합성하기 위해서 Clostridium propionicum propionyl-CoA transferase (Pct)를 도입하였다. Pct는 propionyl-CoA로부터 CoA를 떼어서 lactate에 전달하여 lactyl-CoA를 합성하는 역할을 하는 효소로 Clostridium propionicum에서는 alanine fermentation 대사 회로에서 중요한 역할을 한다[39].
2HB의 전구체로 2-ketobutyrate를 이용할 수 있는데, 이 연구에서 2-ketobutyrate를 2HB로 전환하기 위해서 Lactococcus lactis subsp. lactis Il1403 D-2-hydroxyacid dehydrogenase (PanE)를 이용하였고, 글루코스로부터 2-ketobutyrate를 합성하기 위해서 citramalate pathway를 구성하는 Methanococcus jannaschii citramalate synthase (CimA)와 E. coli LeuBCD를 발현하였다[42]. CimA, LeuBCD, PanE를 통해 생산된 2HB는 Pct에 의해 2HB-CoA로 전환된 후 PHA synthase에 의해 기질로 이용되어 2HB가 모노머로 함유된 폴리에스터를 합성할 수 있었다.
Lactococcus lactis subsp. lactis Il1403 GadB를 발현하는 재조합 대장균을 유가식 배양을 통해서 고농도로 배양한 다음 생촉매로 사용하여 고농도의 MSG를 GABA로 전환하는 기술을 개발 하였다. L.
이러한 두 효소를 재조합 대장균 XL1-Blue에서 발현하였을 때 lactate를 모노머로 함유한 poly(3-hydroxybutyrate-co-lactate)[P(3HBco-LA)]를 합성할 수 있었고, lactate의 모노머 조성은 배양조건 및 도입된 PhaC1의 돌연변이 종류에 따라 다른 것으로 밝혀졌다[36]. 또한 Pct는 발현되었을 때 미생물 대사의 핵심적인 대사물질인 acetyl-CoA를 CoA 공여체로 사용하기 때문에 미생물의 성장을 저해하는 것으로 알려져 있기 때문에, 본 연구에서는 Pct의 개량을 통해 P(3HB-co-LA) 생산성을 향상시켰다[36](Figure 4). PhaC1의 돌연변이를 제작할 때돌연변이의 대상이 되는 아미노산은 E130, S325, S477, Q481로서 Yang 등은 이 네 가지 아미노산이 Pseudomonas 유래 PHA synthase가 lactyl-CoA에 대한 기질특이성을 보유하는데 큰 영향을 미치는 것으로 보고하였다[40](Figure 4).
Lactate의 생산을 강화하기 위하여 lactate를 합성하는데 필수적인 lactate dehydrogenase (LdhA) 유전자의 프로모터를 크로모좀상에서 강한 프로모터인 trc 프로모터로 치환하였다. 또한 lactate 생산대사회로의 경쟁회로인 아세트산, 에탄올, 숙신산 생산대사회로를 제거하기 위하여 ackA, pflB, frdABCD, adhE 등의 유전자를 크로모좀 상에서 제거하였으며, CoA 공여체의 증가를 위하여 acetate를 이용하여 acetyl-CoA를 합성하는 acs유전자의 프로 모터를 trc프로모터로 치환하였다. 이러한 재조합 균주의 개발을 통해 PLA 호모폴리머를 성공적으로 셀 내부에 축적하여 생산할 수 있었다[35,41].
바이오매스의 효율적인 이용을 위하여 바이오리파이너리를 구성하고 있는 4개의 플랫폼 기술은 세계경제포럼의 정의에 따르면 다음과 같이 바이오케미컬 플랫폼(biochemical platform), 열화학 플랫폼(thermochemical platform), 미생물 플랫폼(Microorganism platform), 열과 에너지 융합 플랫폼(Combined Heat & Power platform)이며[1], 본 총설에서는 이 4가지 플랫폼 중 바이오케미칼 및 미생물 플랫폼을 다루려고 한다.
최근 Park 등은 5AVA의 생산을 위한 재조합 대장균 균주개발에 대한 보고를 한바 있다[11]. 이 연구에서 P. putida 유래 lysine 2-monooxygenase (DavB) and delta- aminovaleramidase (DavA)를 발현하는 재조합 대장균 WL31-10을 개발하였으며, 이 재조합 대장균은 10 g/L의 L-lysine으로부터 3.6g/L의 5AVA를 생산하였다. 5AVA aminotransferase (GabT), glutarate semialdehyde dehydrogenase (GabD)를 DavA, DavB와 동시에 발현한 결과 10 g/L의 L-lysine으로부터 1.
대상 데이터
MBEL 6-19 유래 PHA synthase I (PhaC1)을 아미노산 치환을 통해 개량하였고, 다양한 Pseudomonas sp. MBEL 6-19 PhaC1의 돌연변이체를 제작하였다[36].
성능/효과
6g/L의 5AVA를 생산하였다. 5AVA aminotransferase (GabT), glutarate semialdehyde dehydrogenase (GabD)를 DavA, DavB와 동시에 발현한 결과 10 g/L의 L-lysine으로부터 1.7 g/L의 glutarate을 생산할 수 있었다. 또한 L-lysine의 생산회로가 강화되어 글루코스로부터 L-lysine 생산 능이 강화된 재조합 대장균 균주 XQ56에 DavA와 DavB를 발현한 결과 0.
본 특허에서는 MSG를 GABA의 전구체로 사용하는 대신에 글루탐산을 기질로 사용하여, 반응액의 pH 또한 글루탐산으로 조절하는 방법을 적용하여 염의 발생을 최소화하면서 GABA를 생산하는 기술을 보고하였다. MSG를 사용하여 GABA를 생산하였을 때에는 GABA 단위 중량당 투입된 염산의 양이 0.35로 매우 높았으나, 글루탐산을 사용하였을 때에는 그 값이 0.018로 매우 낮아졌으며, 이 방법으로 생산된 GABA의 최종농도는 240 g/L에 달했다. 양이온교환수지를 이용하여 GABA 생성 반응에서 염을 제거하려는 시도가 최근에 보고되었다.
Citramalate pathway를 이용하는 것과는 별도로 Park 등은 propionyl-CoA를 2-ketobutyrate의 전구체로 이용하는 대사회로를 구축하였고, proprionate를 이용한 2HB containing PHA를 합성하는 재조합 대장균을 제작하였다[43]. Propionyl-CoA synthase (PrpE), PanE, Pct, PhaC-1437을 동시에 발현하는 재조합 대장균 XL1-Blue를 20 g/L의 글루코스, 2 g/L의 sodium 3-hydroxybutyrate, 1 g/L의 sodium propionate를 함유하고 있는 제한배지에서 배양하였을 때 2HB, 3HB, lactate를 모노머로 함유하는 고분자를 성공적으로 합성할 수 있었다.
lactis subsp. lactis Il1403 GadB를 발현하는 재조합 대장균 XL1-Blue를 유가식 배양을 통해 OD600에서 100까지 배양한 다음 200 g/L의 MSG를 전환한 결과 76.2 g/L의 GABA를 62.4%의 전환율로 생산할 수 있었고, 이렇게 생산된 GABA는 Al2O3를 촉매로 사용하여 톨루엔에서 화학반응을 이용하여 96%의 전환율로 2-피롤리돈 (2-pyrrolidone)으로 전환될 수 있었다. 최종적으로 GABA를 이용하여 생산된 2-피롤리돈을 이용하여 분자량이 200,000 ~ 330,000인 나일론4를 합성할 수 있었다.
최종적으로 GABA를 이용하여 생산된 2-피롤리돈을 이용하여 분자량이 200,000 ~ 330,000인 나일론4를 합성할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 바이오공정과 화학공정이 융합된 하이브리드 공정을 이용하여 석유화학유래 고분자를 대체할 수 있는 바이오매스 유래 고분자를 생산할 수 있는 가능성이 제시되었다. 또한 GABA로부터 생산된 2-피롤리돈은 석유화학산업의 중요한 플랫폼 케미칼로서 NMP, GBL 등의 C4케미칼의 전구체로 사용될 수 있기 때문에 바이오리파이너리의 산업적 가능성을 볼 수 있다.
4%의 전환율로 생산할 수 있었고, 이렇게 생산된 GABA는 Al2O3를 촉매로 사용하여 톨루엔에서 화학반응을 이용하여 96%의 전환율로 2-피롤리돈 (2-pyrrolidone)으로 전환될 수 있었다. 최종적으로 GABA를 이용하여 생산된 2-피롤리돈을 이용하여 분자량이 200,000 ~ 330,000인 나일론4를 합성할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 바이오공정과 화학공정이 융합된 하이브리드 공정을 이용하여 석유화학유래 고분자를 대체할 수 있는 바이오매스 유래 고분자를 생산할 수 있는 가능성이 제시되었다.
후속연구
5AVA는 L-lysine으로부터 효율적으로 생산될 수 있기 때문에 GABA의 대량생산방법과 비슷한 기술을 개발한다면 5AVA의 대량생산 또한 가능할 것으로 생각된다. 이를 통해 효율적인 바이오매스 유래 나일론 5합성공정의 개발을 이룰 수 있을 것으로 기대한다.
바이오화학산업은 밸류체인의 구성이 석유화학산업과 매우 비슷하며, 바이오연료 등의 에너지산업의 플랫폼을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 현재 인프라가 구성되어 있는 화학 산업 전반에 사용될 수 있는 플랫폼 케미칼, 고분자 등 응용제품 등을 생산할 수 있어 기존 석유화학산업의 보완, 대체가 가능한 산업분야로 생각되고 있다. 또한 탄소선순환이 가능한 바이오화학산업을 통해 현재 지구온난화에 가장 큰 영향을 미치는 요소로 지목받고 있는 온실가스 중 75% 이상 차지하고 있는 이산화탄소를 효과적으로 감축할 수 있을 뿐 아니라 대기로의 방출을 최소화할 수 있기 때문에, 지구온난화 문제 해결에 바이오화학산업이 더욱 긍정적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 더욱이, 화석연료 사용에 따른 이산화탄소 배출량은 56%에 다다르고 있는 것을 생각하면, 바이오화학산업이 석유화학 산업을 보완 혹은 대체함으로써 누릴 수 있는 이산화탄소 감축효과는 더욱 크다고 할 수 있다.
본 총설에서 살펴보았듯이, 대사공학적으로 개량된 우수한 미생물 호스트 균주들이 석유화학산업과 성공적으로 융합된 바이오리파이너리 공정 개발에 핵심적인 역할을 할 것은 자명하고, 이를 위한 대사공학 전략개발연구에 집중해야 할 것이다.
바이오리 파이너리의 성공적인 산업화를 위해서는 기존 석유화학산업의 인프라에 효율적으로 적용되어야 할 뿐 아니라, 생산물질의 생산성, 물성 등이 석유화학산업 유래의 물질들과 동등하거나 우수해야 함은 당연하다. 이를 위해서는 바이오공정에 핵심촉매로 사용되는 미생물 호스트 균주의 우수성이 확보되어야만 하며, 시스템 생물공학 기반의 대사공학 전략 개발이 핵심적인 역할을 할 것으로 기대한다. 또한 바이오공정만을 단독으로 개발하는 것이 아니라 기술개발 초기부터 석유화학산업의 니즈를 파악하고, 석유화학산업의 인프라에 어떻게 적용할 지를 고민하면서 목적산물의 생산공정을 개발해야 할 것이다[1-3].
5AVA는 L-lysine으로부터 효율적으로 생산될 수 있기 때문에 GABA의 대량생산방법과 비슷한 기술을 개발한다면 5AVA의 대량생산 또한 가능할 것으로 생각된다. 이를 통해 효율적인 바이오매스 유래 나일론 5합성공정의 개발을 이룰 수 있을 것으로 기대한다.
이 결과에서 보듯이 글루코스로부터의 5AVA 생산은 아직까지는 효율적이지 않은 상태이고 균주의 대사공학적 개량을 통해 효율의 향상을 이루어야 하는 상태이다. 특히 글루코스로부터 5AVA의 전구체인 L-lysine생산 대사회로를 강화해서 L-lysine의 효율적인 생산이 이루어져야만, 5AVA의 효율적인 생산이 가능할 것으로 생각된다. Figure 2에라이신으로부터 5AVA, 카다베린, C5케미칼을 생산하기 위해 재조합 대장균에서 개발된 대사회로를 나타내었다.
이를 위하여 미생물의 대사회로를 목적산물을 생산하는데 최적화할 수 있도록 대사공학적 기술을 도입하여 개량한 후 바이오리파이너리공정에 도입하는 것이 일반적이다[2,3]. 확보된 우수한 미생물 호스트의 공정적용을 통해서 산업화에 가장 핵심적인 요소 중의 하나인 가격경쟁력을 확보해야만 바이오화학산업의 산업경쟁력을 유지할 수 있으며, 이를 통해 기존의 석유화학기반산업을 보완 혹은 대체할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석유 자원문제를 해결하기 위하여 다양한 연구가 진행되는 가운데 큰 관심을 얻고 있는 분야?
지구온난화를 비롯한 전 지구적인 환경문제와 고갈되고 있는 석유 자원문제를 해결하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있는 가운데, 재생가능한 자원인 바이오매스를 이용하여 석유화학유래의 화학물질 및 고분자 등을 대체하는 바이오리파이너리 혹은 바이오화학산업이 현재 큰 관심을 받고 있다[1]. 바이오화학산업은 밸류체인의 구성이 석유화학산업과 매우 비슷하며, 바이오연료 등의 에너지산업의 플랫폼을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 현재 인프라가 구성되어 있는 화학 산업 전반에 사용될 수 있는 플랫폼 케미칼, 고분자 등 응용제품 등을 생산할 수 있어 기존 석유화학산업의 보완, 대체가 가능한 산업분야로 생각되고 있다.
4가지 플랫폼 중 바이오케미칼 및 미생물 플랫폼의 기반이 되는 분야는?
바이오매스의 효율적인 이용을 위하여 바이오리파이너리를 구성하고 있는 4개의 플랫폼 기술은 세계경제포럼의 정의에 따르면 다음과 같이 바이오케미컬 플랫폼(biochemical platform), 열화학 플랫폼 (thermochemical platform), 미생물 플랫폼(Microorganism platform), 열과 에너지 융합 플랫폼(Combined Heat & Power platform)이며[1], 본 총설에서는 이 4가지 플랫폼 중 바이오케미칼 및 미생물 플랫폼을 다루려고 한다. 바이오케미컬 및 미생물 플랫폼 기술의 기반이 되는 산업 바이오화학기술(Industrial Biotechnology) 또는 화이트바이오테크놀로지(White Biotechnology)는 대사공학 및 시스템생물공학 등의 발전을 통해 최근 활발히 연구되고 있는 분야이며, 바이오공정에 촉매로 사용 되고 있는 미생물 혹은 효소의 개량을 위하여 적용되고 있다. 바이오 리파이너리 중 바이오케미컬 및 미생물 플랫폼 공정에는 미생물 혹은 효소 등의 바이오촉매가 공정의 핵심촉매로 투입되기 때문에, 바이오 화학산업의 성공을 위해서는 공정에 투입되는 핵심적인 촉매인 미생물 호스트의 목적산물을 생산하는 능력이 매우 중요하고, 미생물 호스트의 목적산물을 생산하는 효율 및 성능이 전체공정의 산업적 타당성 및 효율성에 가장 큰 영향을 미친다.
바이오화학산업은 밸류체인의 구성은 무엇과 유사한가?
지구온난화를 비롯한 전 지구적인 환경문제와 고갈되고 있는 석유 자원문제를 해결하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있는 가운데, 재생가능한 자원인 바이오매스를 이용하여 석유화학유래의 화학물질 및 고분자 등을 대체하는 바이오리파이너리 혹은 바이오화학산업이 현재 큰 관심을 받고 있다[1]. 바이오화학산업은 밸류체인의 구성이 석유화학산업과 매우 비슷하며, 바이오연료 등의 에너지산업의 플랫폼을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 현재 인프라가 구성되어 있는 화학 산업 전반에 사용될 수 있는 플랫폼 케미칼, 고분자 등 응용제품 등을 생산할 수 있어 기존 석유화학산업의 보완, 대체가 가능한 산업분야로 생각되고 있다. 또한 탄소선순환이 가능한 바이오화학산업을 통해 현재 지구온난화에 가장 큰 영향을 미치는 요소로 지목받고 있는 온실가스 중 75% 이상 차지하고 있는 이산화탄소를 효과적으로 감축할 수 있을 뿐 아니라 대기로의 방출을 최소화할 수 있기 때문에, 지구온난화 문제 해결에 바이오화학산업이 더욱 긍정적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
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