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요약문

광생체를 활용한 유용물질 합성 분야 기술

우리는 태양으로부터 1년 동안 우리가 사용하는 에너지 총량의 약 9,000배 이상에 해당하는 빛에너지를 받고 있으며 광합성 생체가 빛에너지를 화학에너지로 전환하여 환원당 (포도당)을 제조하고 이 과정에서 부산물로 생태계에 산소를 공급한다. 최근, 광합성 식물 외에 광합성 미생물을 활용하여 다양한 연료인 바이오디젤, 바이오에탄올 등을 생산하는 연구가 국내뿐만 아니라 국제적으로 활발하게 진행되고 있고, 아울러, 광합성 세균을 사용하여 고부가 생리활성 물

요약문

광생체를 활용한 유용물질 합성 분야 기술

우리는 태양으로부터 1년 동안 우리가 사용하는 에너지 총량의 약 9,000배 이상에 해당하는 빛에너지를 받고 있으며 광합성 생체가 빛에너지를 화학에너지로 전환하여 환원당 (포도당)을 제조하고 이 과정에서 부산물로 생태계에 산소를 공급한다. 최근, 광합성 식물 외에 광합성 미생물을 활용하여 다양한 연료인 바이오디젤, 바이오에탄올 등을 생산하는 연구가 국내뿐만 아니라 국제적으로 활발하게 진행되고 있고, 아울러, 광합성 세균을 사용하여 고부가 생리활성 물질인 5-아미노레불린산 (ALA), 유비퀴논 (Coenzyme Q10, Q10), 카로티노이드, 라이코핀 등을 대량으로 생산하는 연구가 국제적으로 진행되고 있다. 에너지 측면에서 이는 앞으로 직면하게 될 화석연료 고갈에 대한 해결책으로서 대체에너지의 탐색 및 개발에 대한 관심이 국제적으로 높아짐에 따라 태양에너지(또는 광에너지)가 무한 청정 동력으로서 차세대 대체에너지의 가장 유력한 후보가 되었기 때문이다. 아울러, 고부가 생리활성 물질 생산 측면에서 볼 때, 광합성 세균은 다양한 항산화성 색소 대사물질을 갖고 있어 여러 생리활성 물질의 근원이 될 뿐만 아니라 외래 유용물질의 대량생산을 위한 세포 공장으로도 사용될 수 있어 국제적으로 많은 연구 및 기술개발의 주된 재료로 사용되고 있다. 이런 동향에 발맞추어 생명과학 분야에서는 국제적으로 광합성 미생물의 활용에 대한 다양한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 현재 전 세계적으로 광합성 연구에 대한 투자가 국가 주도로 급속히 증가하며 이에 따른 기술개발이 증가하고 있다. 주로 광합성 미생물 개량을 통한 광합성 산물의 증진을 목표로 하고 있지만, 이 세균의 다양한 생리적 제약 때문에 실제 기술수준은 아직 높지 않다. 그럼에도 그 활용 규모는 빛에너지를 이용한다는 면과 광합성 생체가 보유하고 있는 다양한 대사과정을 이용할 수 있다는 측면 때문에 점차 커지고 있다. 이런 상황에서 광합성 생체의 유전체 및 대사체의 변형과 이를 이용한 유용물질 생산 및 활용에 대한 국제적 기술 정보를 확보하는 것은 매우 중요하며, 이를 바탕으로 중요 기술을 선점한다면 우리나라가 광합성 미생물의 활용분야에 있어 결코 뒤처지지 않을 것이다. 이를 위해 이 분야의 첨단 연구 및 기술 정보를 수집하여 아래와 같은 목적을 위한 자료를 제공하고자 한다.



경쟁 선진국의 광합성 미생물 활용 (수소를 포함한 대체에너지 생산 및 유용물질 생산) 현황파악

탐색된 유망기술을 바탕으로 국내 광합성 미생물 연구 및 기술개발에 적용할 수 있는 방안 모색

해외 유력 연구진 탐색 및 국제협력 방안 제시



전 세계적으로 특히, 미국과 유럽이 국가 주도적으로 생체 광합성 연구에 대한 투자가 활발하고, 이들에 의한 광합성 미생물의 광학적 및 생리화학적 연구가 제일 활발한 수준이므로 기술 정보의 수집 영역을 이 두 지역에 초점을 맞추고 조사하였다. 정보 수집을 위한 연구원은 일단 광합성 관련 전문지식이 있어야 하므로 본인 연구실 출신 2인을 그 대상으로 우선 선택하여 활용하였다. 1인은 미국에 Massachusetts Institute of Technology (MIT) 연구원으로 거주하고 있으며, 다른 1인은 독일 쾰른대학교 (University of Cologne)의 교수로 재직하고 있다. 그리고, 나머지 1인 역시 미국MIT 연구원으로 재직하고 있으며, 이 연구원은 생체 대사 및 세포변형에 대한 전문가로서 본 사업을 위한 연구원으로 활용하였다. MIT 연구원을 2인이나 채택한 이유는 MIT의 연구 그룹이 광합성 대사를 포함한 다양한 합성생물학 연구의 세계 최첨단 수준을 대표하고 있기 때문이다.

현재, 미국에 거주하는 연구원을 통해 얻은 정보는 광생체의 유전적 개량 및 대사 조절에 관한 전문적 내용들을 포함하고 있었으며 이를 본인과 본인 연구 그룹의 의견, 그리고 인접 분야 연구진과의 간단한 컨퍼런스를 통하여 체계적인 학술적 내용으로 개량하고 발전시킬 수 있었다. 그 내용의 간단한 요약은 다음과 같다. 생체 자성물질 (biomagnetic nanoparticle (magnetosome))을 생산하는 유전자를 재조합하여 이를 광생체에서 발현시킬 수 있다면, 광생체에서도 자성물질을 생성할 수 있다. 그럴 경우, 광합성 세균을 분리하려고 할 때, 자석을 이용하여 쉽게 분리할 수 있다. 특히, 여러 세균이 섞여 있는 경우에, 원하는 세포 속에 자석이 함유되어 있다면, 자성을 이용하여 그 세포를 쉽게 분리 가능 할 것이다. 아울러, 이러한 자성 물질을 대장균을 이용하여 쉽게 대량으로 생산하고 이를 분리하여 인공적으로 제조한 리포좀에 활용한다면, 인공 제조 자성물질의 단점을 보완할 수 있어 자성물질 활용도를 더욱 높일 수 있을 것이다. 아울러, 빛에너지를 화학에너지의 형태인 수소 개스로 전환 시 수소를 발생하는 수소효소는 수소를 생성하는 것으로 알려진 질소고정 효소보다 turnover number (kcat)가 103배 정도 큰 효소이므로 산업적 수소효소 발생을 위해서 활용되어야 할 주요 산업적 재료로 간주되어 왔다. 하지만, 수소효소의 산소 민감성 때문에 산업적 활용에 있어 많은 제약을 받아왔다. 하지만, 지구상에 존재하는 여러 수소효소의 특징을 고려하면, 산소가 존재하는 환경에서 작동하는 수소효소들이 있고 이들은 상대적으로 높은 산소 저항성을 갖고 있어서 산업적 응용이 가능할 수 있다. 끝으로, 광합성 미생물을 이용하여 생산할 수 있는 여러 고부가 생리활성 물질의 가능한 대사 경로와 그 물질들의 인체에 미치는 유용한 효과를 조사하여 보았다. 그 결과, resveratrol의 bioavailability를 더욱 높일 수 있는 방법으로서 resveratrol의 methylation을 통하여 제조할 수 있는 pterostilbene이 그 효과 면에서 resveratrol에 비하여 그 플러스 효과가 약 4배 정도 증진되었음이 보고되었다. 아울러, 항황반퇴화 연구의 일환으로 광합성 생체를 이용한 zeaxanthin 제조의 가능성도 살펴 볼 수 있었다. 반면, 독일에 거주하는 연구원을 통해 얻은 광생체 활용 정보는 타지역에 비해 보다 환경 친화적인 연구 결과로서 오염물질로부터 미세조류를 이용하여 다양한 플라스틱을 생산할 수 있고, 이를 여러 다양한 조성의 생분해 플라스틱과 3-D 프린팅의 원료 플라스틱 등으로 다양하게 활용되고 있음을 알 수 있었다. 그리고, 광합성 생체 활용 관련 프로젝트는 미국뿐만 아니라 유럽 연합 및 각 정부 주도의 계획 하에 지원되는 사업으로 진행되고 있으며, 이렇게 국가 주도로 지원하고 있는 사업의 전체 윤곽과 큰 동향을 우리도 파악할 필요가 있다는 생각이 들었다. 앞에서도 강조하였듯이 광합성 생체 활용 관련 프로젝트는 태양 에너지를 이용하여야 하는 연구 개발이 인류가 궁극적으로 의존해야 할 기술 분야이기 때문이다. 국제적으로 광합성 생체 활용 관련 프로젝트는 화학적으로 접근하는 비생체 광합성 프로젝트보다 우위에서 지원되고 있다. 그 이유는 광합성 생체의 기능이 이미 확립되어 있고 이를 활용하는 기술이 더욱 정교하게 전개될 필요가 있기 때문이다. 이는 국제적으로 모든 광합성 기술 선진국이 갖고 있는 생각이다. 추가적으로 한 가지 더욱 강조하고 싶은 point는 유럽 연합 및 유럽 각국의 연구 지원이 학교와 회사의 산학공동 연구에 많은 비중을 두고 지원하고 있는 점이며, 특히, 연구에 참여하는 국가도 유럽국가-일본-미국 등을 연계하는 전 세계적 network 형성을 통한 공동연구에 대규모 지원을 하며 이를 통해 연구 결과의 상호 부족한 부분을 보완해 가며 우수한 연구 결과를 도출하고 서로의 연구 결과에 대해 상호 인정하는 일종의 내부 협력 체계 (inner consortium)을 형성하고 있다. 이는 국제적 관점에서 우리가 그동안 간과해온 점으로서 이제는 대형과제의 일부분에 해당하는 세부과제들을 우수한 해외 연구 그룹을 지원하며 국제적 공동 연구를 수행해야 하는 필요성을 이야기 해주고 있다.

본 연구 그룹은 지난 30여년 광합성 세균을 이용한 수소 개스 생성 연구를 해오고 있다. 이와 같은 연구 경험이 있으므로 본 그룹은 본 사업을 통해 얻은 정보를 빛에너지를 이용한 수소 개스 생산 증진과 유용 물질의 생산에 적용하고 적극적으로 활용할 예정이다. 아울러, 본 연구 결과는 광생체의 활용에 관심이 있는 다른 연구자에도 큰 도움이 될 참고 자료로 활용될 수 있다고 본다.