초록 ▼

□ 연구개요
• 본 연구는 지속가능한 생물공정개발을 위해 해결해야 할 bottle neck으로 지적되고 있는 미생물 대사 경로 상 산화·환원 준위 및 연관 반응(효소발현)을 전기화학적으로 제어하는 플랫폼 기술을 개발하는 것을 목표로 함.
• 특히 미생물 산화·환원 준위 조절 메커니즘을 규명하고, 이를 유전공학 및 합성생물학을 이용해 목적산물의 생산 수율을 높이는 전사조절 전략을 개발함.
• 이를 바탕으로 미생물 촉매 산화·환원 준위와 대사경로를 적극적으로 제어하는 신개념 생물전환공정과 실험실 규모 BES반응기

□ 연구개요
• 본 연구는 지속가능한 생물공정개발을 위해 해결해야 할 bottle neck으로 지적되고 있는 미생물 대사 경로 상 산화·환원 준위 및 연관 반응(효소발현)을 전기화학적으로 제어하는 플랫폼 기술을 개발하는 것을 목표로 함.
• 특히 미생물 산화·환원 준위 조절 메커니즘을 규명하고, 이를 유전공학 및 합성생물학을 이용해 목적산물의 생산 수율을 높이는 전사조절 전략을 개발함.
• 이를 바탕으로 미생물 촉매 산화·환원 준위와 대사경로를 적극적으로 제어하는 신개념 생물전환공정과 실험실 규모 BES반응기 운전을 통해 실제 바이오리파이너리에 적용가능한 기반기술 개발을 목표로 함.
• 본 과제의 구체적인 목표 및 예상성과는 다음과 같음
- 전기활성 미생물촉매의 대사경로 규명 및 신균주 개발
- BES를 통한 미생물 산화·환원 준위 조절 메커니즘 규명
- 합성 생물학 도입 BES 기반 미생물 전사 조절 기술 개발
- 세포내 산화·환원 준위 및 생물전환반응의 적극적 제어를 통한 유용화학물질 생산향상
- 열역학적인 한계를 극복하는 신개념 BES 기반 생물전환 공정 개발

□ 연구 목표대비 연구결과
• 본 중견연구과제는 지속가능한 생물공정개발을 위해 해결해야 할 bottle neck으로 지적되고 있는 미생물 대사 경로 상 산화·환원 준위 및 연관 반응(효소활성)을 전기화학적으로 제어하는 플랫폼 기술개발을 목표로 3년간 수행되었고, 당초 목표로 했던 과제를 대부분 달성했음.
• 연구기간 중 생물전기화학반응시스템을 이용해 글리세롤을 전환하는 대사경로 분석 및 1,2-PDO생산성 향상에 관한 1편의 논문을 ChemSusChem에 출간완료하였고, 세포외막에 CymA를 과발현한 논문을 Journal of Chemical Technology and Biotechnology에 발표하였음
• 미생물-전극 전자전달을 이용해 온실가스인 CO/CO2를 전환해 유용한 화학전구물질로 전환하는 결과로 3편의 논문을 출간 완료하였으며, 관련 특허 등록 1건, PCT특허출원 1건 완료 하였음.
• 또한 미생물연료전지에서 전기활성 미생물의 거동과 전기화학적 분석에 관한 기초 연구로 4편의 논문을 게재하였음
• 합성생물학을 이용한 전극기반 전사 조절 인자의 적극적인 제어 전략을 통해, 대사경로의 in situ 제어가 가능한 전사 인자 개발 2편의 SCI논문을 출간하였으며, 연구결과를 바탕으로 1편의 논문을 제출 완료 하였음.
• 연구과제 수행으로 미생물 산화·환원 준위 조절 메커니즘을 규명하고, 유전공학 및 합성생물학을 이용해 목적 효소 발현의 선택적 제어뿐만 아니라, 전체 대사경로를 전기화학적으로 제어할 수 있는 기반 기술을 확보 하였다고 판단됨
• 특히 본 연구성과를 기반으로 연구재단 중견연구 (1-2 유형, 2021-2025) 과제를 수주하였고, 이를 통해 후속 연구 및 상업화 연구를 지속적으로 수행할 예정임

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
• 생물학적 산화환원반응에서 NADH/NAD+ 쌍(E0'=-0.32V)은 대사경로에서 중요한 조효소로 작용하며, 특히 최종 산물의 수율과 부산물생성에 중요한 역할을 함. 전극을 이용한 전압 및 전류의 흐름은 세포내 산화환원 반응 (특히 NADH/NAD+)에 영향을 미쳐 대사경로와 수율을 제어할 수 있음이 보고되고 있으며, 이러한 전극-미생물 간의 상호작용을 이용한 BES 기반 생물전환공정이 시도되고 있음. 특히 이 기술은 능동적 세포 내 산화·환원 준위 조절이 가능하다는 점에서 기존 기술과 차별성이 있음.
• BES의 Electrosynthesis개념을 도입하여, 저가 출발물질을 고부가가치 화학전구물질로 전환하는 BES 플랫폼 기술을 개발함으로써 자발적인 반응뿐만아니라, 기존 생물전환공정에서 불가능하였던 열역학적으로 비자발적인 생물전환공정에 적용가능함.
• 본 과제 수행의 결과로써, 전기활성미생물뿐만 아니라 발효공정 미생물촉매의 대사경로를 실시간으로 제어하는 BES 플랫폼기술을 개발할 수 있음. 공정 수율증가, titer 향상, 부산물 억제등의 연구성과는 석유리파이너리에서 친환경 생물공학기반 바이오리파이너리 기술로 도약할 수 있는 중요한 기폭제가 될 수 있음.
• 한국의 강점인 발효공정 및 생물공정기술에 새로운 구동력을 제공하며, 기존 산업공정의 지속가능성 및 환경친화성 제고를 통해 지속 가능한 국내 산업발전에도 기여할 수 있으리라 확신함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 가. 미생물 촉매의 전자 방출/흡수에 따른 미생물 생리 변화 ... 7
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 16
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 16
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• 3) 목표 달성 수준 ... 17
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 18
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 18
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 19
• 1) 연구개발과제의 활용계획 ... 19
• 2) 연구개발과제의 기대효과 ... 19
• 6. 참고문헌 ... 20
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 24
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 48
• 끝페이지 ... 63