초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
본 과제의 목표는 CO 전환활성을 전기화학적 분석 및 표면증강라만분광법으로 실시간으로 검출가능한 생물전기화학반응 플랫폼을 개발하고, 이를 이용해 CO 전환 고성능 균주를 선별하는 것임. 전극표면의 구조개선 및 실시간모니터링 시스템으로 균주의 CO전환 활성을 평가하는 시스템을 구축하고자 함. CO전환생물공정의 부족한 환원력을 생물전기화학반응으로 보완하여, 전환 수율 및 세포성장을 증진시키는 BES 기반 CO전환공정을 개발하고자함. 최종적으로는 선별된 균주의 분석 및 최적화와 대사공학기술을 통한 균주개량으

□ 연구의 목적 및 내용
본 과제의 목표는 CO 전환활성을 전기화학적 분석 및 표면증강라만분광법으로 실시간으로 검출가능한 생물전기화학반응 플랫폼을 개발하고, 이를 이용해 CO 전환 고성능 균주를 선별하는 것임. 전극표면의 구조개선 및 실시간모니터링 시스템으로 균주의 CO전환 활성을 평가하는 시스템을 구축하고자 함. CO전환생물공정의 부족한 환원력을 생물전기화학반응으로 보완하여, 전환 수율 및 세포성장을 증진시키는 BES 기반 CO전환공정을 개발하고자함. 최종적으로는 선별된 균주의 분석 및 최적화와 대사공학기술을 통한 균주개량으로 실제 C1바이오리파이너리 공정에 적용가능한 바이오촉매를 개발하고자 함.

□ 연구개발성과
본 과제의 1단계 연구결과 (1) 생물전기화학반응시스템 (BES)에서 농화배양을 통한 균주선별 (2) BES를 통한 CO전환공정으로부터 아세테이트 및 휘발산 생산 확인 (3) 아세테이트 기반 고부가대사산물 생산 가능성 확인 (4) CO전환 균주 스크리닝 및 전기화학적 활성분석 BES 플랫폼 제작 및 테스트, (5) CO전환활성의 전기화학적 분석을 통한 활성유무 분석 (6) 라만분광법 적용을 통한 CO전환 대사산물 실시간분석 기반기술 확보등임.
1단계에서 얻은 성과는 본 과제의 최종 목표인 (1) CO전환 바이오리파이너리 공정 선정, (2) 균주의 유전학적 특성 분석과 유전 및 대사공학기술을 통한 균주의 개량, (3) 개량된 균주의 적용성 평가, (4) CO전환 시험반응기운전 및 스케일업 전략수립의 기반기술로 활용될 것으로 판단됨.
이를 위한 세부적인 연구성과는 다음과 같음.
• CO전환 신균주 선별 (8종) 및 CO전환 특성연구
• BES에서 CO 전환 성능 평가 및 아세테이트/휘발산 생산향상 확인: 8470 ± 150 mg/L, acetate; 533 ± 54, butyrate; 268 ± 2, propionate; 142 ± 15, isobutyrate; 139 ± 3 mg/L, isovalerate
• BES 기반 균주스크리닝 플랫폼 제작 및 테스트
• Cyclic voltammetry 및 Chronoamperometry등 전기화학적 분석방법 확립 및 시스템
• BES 및 표면증강라만분광법 적용을 위한 금나노입자 도입 전극 개발 및 적용
• 라만분광법 적용을 통한 CO전환 대사산물의 실시간분석 기반기술 확보
• BES 전극 및 전자전달체를 이용한 세포내 산화환원반응 제어 전략수립
1단계 연구개발성과로는 SCI 논문 (mrnIF 70이상) 7편, 특허(출원) 2건, 석박사학위 배출3명, 국내외 학술대회발표 27건의 연구성과가 있었음.

□ 연구개발성과의 활용계획 (기대효과)
본 과제는 C1가스 관련 국내원천기술 개발을 목표로 하고 있으며, 단계별 접근을 통해 C1가스전환 사업화 기술을 개발하는 것을 궁극적인 목표로 하고 있음. CO전환미생물의 탐색플랫폼으로서의 BES 시스템개발은 고성능 균주선별, 대사산물의 실시간 분석, 균주의 성능개선의 평가방법으로서 활용가능한 원천기술임. 특히 1단계에서 확인한 BES 전극기반 환원력 전달은 CO전환미생물의 전통적인 문제점으로 알려진 낮은 세포성장속도, 낮은 전환율 및 목적산물 수율을 보완할 수 있는 기술이라 판단됨. C1가스를 기반으로하는 공정개발은 석유자원을 대체하는 신개념 리파이너리 기술로 국내산업의 안정성 확보에 크게 기여할 것으로 판단됨. 또한 BES컨셉을 적용한 융복합기술개발은 신규미생물 선별 및 다양한 생물공학기술에 활용가능할 것으로 판단됨. 최종적으로 본 연구의 성과는 C1가스의 자원화 및 상업화 기술개발의 토대를 마련할 것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 성과 ... 9
• 2.1 연속식 CO전환 생물전기화학반응시스템(Bioelectrochemical system, BES) 적용을 통한 아세테이트 및 휘발산 생산수율 향상 ... 9
• 2.2 CO 전환균주 분리 및 동정: BES 농화배양 ... 14
• 2.3. CO 전환균주 분리 및 동정: 철입자를 통한 외부환원력 공급 ... 15
• 2.3 Syntrophic interaction을 이용한 CO 전환 메커니즘 모델 분석 ... 20
• 2.4 CO로부터 생산된 아세트산을 이용한 2,3-butanediol의 합성 재조합 균주개발 및 기초 테스트 ... 24
• 2.5 BES 플랫폼을 이용한 CO전환 균주 스크리닝 플랫폼 디자인 ... 27
• 2.6 전극반응 효율 향상을 위한 탄소 전극 및 ITO 전극 표면 금속 나노입자 도입 ... 35
• 2.7 탄소 전극 표면에 도입된 금 구조체의 표면 흡착률 제어 ... 36
• 2.8 라만산란법을 이용한 CO 전환균주 대사산물 4종의 고유 분자 신호 확보 ... 37
• 2.8 금속 나노입자가 도입된 ITO 전극에서 표면증강라만산란법을 활용한 대사산물의 분자 신호 검출 ... 37
• 2.9 전극반응이 종료된 시스템에서 표면증강라만산란법을 활용한 분자신호 검출 및 전환 균주 대사산물의 분자 신호 확인 ... 38
• 2.10 여러 종류 대사산물의 혼합물에서 라만산란법을 활용한 각 대사산물의 신호 구분 ... 40
• 2.11 표면이 양전하를 띠는 금나노입자를 활용한 대사산물 검출 감도 향상 ... 40
• 2.12 대사산물과 같은 음전하를 띠는 표지물질과의 경쟁적 흡착을 활용한 검출 감도 향상 ... 41
• 2.13 금 나노입자의 광열효과에 의해 형성되는 아마이드 결합을 활용한 대사산물 검출 감도 향상 ... 41
• 2.14 주관기관의 생물전기화학반응시스템에 라만분광 프루브 장착 및 시험분석 ... 42
• 3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 43
• 3-1. 목표 및 달성여부 ... 43
• 3-3. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 45
• 4. 연구개발성과의 활용 계획 등 ... 45
• 4.1 활용방안 ... 45
• 4.2 기대효과 ... 46
• 붙임 1. 참고문헌 ... 48
• 붙임 2. 연구목표 달성도 (종합) ... 50
• 끝페이지 ... 51