초록 ▼

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
- 산업분야에 직접적으로 적용 가능한 코리네박테리움으로 부터 신규 단량체인 Heme 생산.
- 바이오 기반의 효소 촉매인 Heme polymerase를 대량생산하여 고정화 공정을 통한 효소 고정화를 진행하고, 고정화된 효소를 이용하는 중합공정의 최적화를 통한 대량 Hemozoin 전환 기술 개발.

□ 개발내용 및 결과
가. 대표적 연구내용 및 결과
1) 단량체 Heme의 생산능력이 극대화된 최종 대사재설계 균주개발
- 본 연구에서는 합성생물학, 대사공학 기

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
- 산업분야에 직접적으로 적용 가능한 코리네박테리움으로 부터 신규 단량체인 Heme 생산.
- 바이오 기반의 효소 촉매인 Heme polymerase를 대량생산하여 고정화 공정을 통한 효소 고정화를 진행하고, 고정화된 효소를 이용하는 중합공정의 최적화를 통한 대량 Hemozoin 전환 기술 개발.

□ 개발내용 및 결과
가. 대표적 연구내용 및 결과
1) 단량체 Heme의 생산능력이 극대화된 최종 대사재설계 균주개발
- 본 연구에서는 합성생물학, 대사공학 기반 기술을 통해 코리네박테리움 균주의 Heme 대사경로를 재설계하고 이를 기반으로 단량체 생산능력이 향상된 30종 이상의 코리네박테리움 유래 대사재설계 균주를 구축함. 현재 유용결과를 보이는 균주에 대해 국내 특허 출원(출원번호:10-2017-0061713)을 완료하여 지식재산권을 확보하였으며 또한 해외 특허 출원을 완료(출원번호:PCT/KR2018/005740)함.
- 단계별 연구수행을 통해 최종 년도에 구축된 코리네박테리움 대사재설계 균주는 효율적인 생물공정 시스템을 통해 약 120 mg/L의 Heme 생산을 보임. 이는 현재 보고된 Heme 생산량 수치 중 가장 높은 수치를 나타내고, 최종 생산 목표치를 초과 달성함. Heme 생산 분석은 국가 기관 한국과학기술연구원을 통해 정량 분석 및 평가와 시험성적서를 발급받음 (부록 1. 참조). 관련 내용은 국외저명학술지인 Scientific reports (Nature 자매지)에 submission 완료하여 Review 중에 있음.
2) Hemozoin 중합효소의 활성 향상, 생산 및 정제 최적화를 통한 생물학적 Hemozoin 중합 기술 개발
- ① Hemozoin 중합효소의 효소복합체 기술로의 적용, ②효소 대량 생산을 위한 고발현 벡터 시스템 도입, ③ 친환경적인 Cellulose-효소복합체 이용 고효율 분리 정제, ④ 통계적 조건 수립을 통한 효소활성 최적화의 융합 등의 단계적 연구수행 결과, 중합효소 활성 최종목표치를 159% 초과달성하는 연구성과를 확보함.
- 상기 연구내용은 국내특허출원 (출원번호: 10-2016-0164899) 및 해외 PCT출원 (출원번호: PCT/KR2017/014181)을 완료하여 지식재산권을 확보하였으며, 특히 상위 7%의 국외저명학술지 “Biosensors and Bioelectronics”에 논문 게재를 완료하여 본 연구내용에 대한 우수성과 창의성을 전파함.
3) Hemozoin 중합효소의 고정화 수율 및 중합 수율 향상
- Hemozoin 중합효소의 최적 담체 고정화 조건을 설정하기 위해 반응표면분석법을 이용함.
- 중심합성설계법과 최적화한 반응표면의 3차원 그림을 등고선을 통해 도식화 후 최적고정화 조건 변수를 확립함.
- 최적 고정화 조건은 pH 7.16, Temp. 5.86 ℃, 23.89 h이며, 이때 95% 이상의 효소가 고정화 되었고, 이는 기존의 최종목표치를 105% 초과달성하는 연구성과를 확보함.
- 이는 국내 특허 등록(등록번호:10-1800469호)을 완료하여 지식재산권을 확보하였음.
- 최적화된 중합반응조건(34 ℃ , 200 rpm, 24 h)에서 효소 재사용 중합 반응기에 적용하여 코리네박테리움 기반생성 및 정제된 Heme을 Hemozoin으로 대량 중합하여 83%의 중합률을 달성함.
- 이는 국내 특허 등록(등록번호:10-1864024호)을 완료하여 지식재산권을 확보하였음.
4) 전기전도성 평가 및 이를 이용한 바이오센서 개발
- Enzymatic fuel cell system을 이용하여 산화-환원 과정을 통해 전력을 생산하고, 이를 응용하여 바이오센서에 적용하는 연구를 진행하였음.
- 전력생산에 있어서 산화극에는 Glucose oxidase를 고정화 하였고, 환원극에는 Laccase를 고정화하여 산화환원 반응을 통해 전력을 생산함.
- 전기전도성 단량체 Heme과 중합체 Hemozoin을 효소연료전지에 적용하여 전도성을 확인하였으며, 이는 기존의 연구들보다 더 높은 전력(2,092μW/cm2)을 생산하였음.
- 한국과학기술연구원을 통해 Hemozoin 중합체의 전도성의 유무 및 정량을 평가받고 시험성적서를 발급받음. (부록 2. 참조)

나. 연구 결과에 대한 정량적 항목
- 단량체 Heme 생산으로부터 생물학적 중합방법까지 모든 연구 결과에 대해 최종목표치를 초과 달성하였고, 전기전도성의 정량적 수치를 측정 완료함.
- 단량체 Heme 생산량 분석과 생산물의 전기전도성에 대해서 국가 기관 한국과학기술연구원에서 시험 및 분석인증을 받고, 시험성적서를 발급받음. (부록1, 2 참조)

□ 기술개발 배경
국내에서 생산되는 바이오플라스틱 단량체 소재가 없어 수입하고 있으며, 선진기업과 경쟁할 수 있는 고가의 바이오 플라스틱 소재를 대량생산하는 기술개발이 필요함. 국내 원천기술 확립과 독자적인 단량체 생산공정기술 및 중합공정으로 기능성 플라스틱의 생산이 가능함

□ 핵심개발 기술의 의의
- 석유화학산업에 의존하는 기존 전도성 고분자 화학합성기술 및 제품을 대체하여 친환경적 전기 전도성 고분자를 생물학적 합성 기술로 생산하여 신규 바이오 소재를 개발함.
- 석유부존자원이 전무한 국내 상황에 있어 환경오염과 석유자원의 고갈 등 사회적 문제를 극복할 수 있는 기술임.
- 생물학적 전도성 고분자 합성 기술개발로 선진국대비 50~70% 기술 수준에 머물러 현재 90% 이상 수입에 의존하고 있는 전도성 고분자 연구 분야에 국내 원천기술을 확보함.
- 중합체 개발에 있어 기존의 물리화학적 접근에서 벗어나 반응 주체를 미생물 기반으로 하는 생물학적 공정설계를 통해 친환경 바이오플라스틱을 제조함.
- 세계적으로 아직 시도되지 않았던 코리네박테리움 개량을 통한 Heme 단량체 생합성 연구를 성공적으로 수행하고 자체 보유 형질전환 시스템 및 축적된 코리네박테리움의 Heme 생합성 경로 정보를 이용하여 Heme 생합성 균주를 구축함.
- 중합 효소 Heme Polymerase의 고정화를 통하여 효소 재사용 기술을 개발함으로써 최소 공정비용으로 최적의 중합 공정 기술을 구축함.
- 금속 촉매 등을 이용한 화학적인 수준에서 이루어지는 기존 중합반응에서 벗어나, 생물학적 중합 반응을 가능하게 하는 효소 촉매인 Heme Polymerase를 이용하여 Hemozoin의 최적 전환 공정 기술을 개발함.

□ 적용 분야
- 본 연구를 통해 개발하고자 하는 Hemozoin의 경우 단량체 Heme이 중합된 물질로 전도성 소재로 응용 가능할 것으로 판단됨.
- 해외 기술력에 비해 상대적으로 우위에 있는 국내 수지 가공 및 성형기술과 함께 본 연구 결과를 접목 가능함.
- 국내 원천기술 확립과 독자적인 단량체 생산공정기술 및 중합공정으로 기능성 플라스틱의 생산이 가능함.
- 선진기업과 경쟁할 수 있는 저가의 바이오플라스틱 소재를 대량생산하는 기술 개발이 가능함.
- 구체적인 예
가. 전기변색 디스플레이 소재 개발
- 중합된 Hemozoin을 활용하여 유기물 전도성 고분자가 금속 소재를 대체한 디스플레이 접목 가능성을 판단함.
- 이 소재는 전기로 인한 산화 환원 상태에 따라 변색을 일으킴.
- Heme 및 Hemozoin은 고리화합물 계통의 전도성 고분자로 고유의 흡광을 가지므로 특정 색을 띠게 될 것으로 예상됨.
나. 터치스크린 소재 개발
- 대전한 정전기에 의한 방전, 흡인, 반발로 인한 여러 장해 방지가 필요한데 이를 Hemozoin을 소재로 잉요함
- Hemozoin은 전도성 플라스틱으로 정전기로 유발된 전하를 제거, 중화시킬 수 있을 것으로 예상됨.
- 표면 세척 가능, 수지 분산성 우수, 오염 방지 가능, 첨가량 적음의 장점이 예상됨.
다. 전도성 고분자 Hemozoin을 이용한 바이오센서 개발
- 바이오 센서 경우, 특정 분자의 감지를 위하여 효소, 항체, 항원, 수용체, DNA 등 여러 종류의 생물분자와 나노기술을 이용하여 분자 수준에서 물질을 검출하고, 물리화학적 신호변환기를 통하여 상호작용을 인식하는 디바이스임.
- 이를 통해 혼합물 상에 당과 산화효소의 반응의 검출 한계 및 범위에 관한 연구를 진행하여 바이오 센서의 민감도에 관한 연구가 촉망됨.
- 이러한 생물분자 및 나노기술의 바이오센서 기술에 Hemozoin 유기물 전도성 고분자를 적용하고 시험하여 가능성을 확인함.

(출처 : 초록 - 3. 개발결과 요약 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 18
• 목차 ... 22
• 제 1 장 서론 ... 23
• 제 1 절 과제의 개요 ... 23
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 24
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 24
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 27
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 30
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 53
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 53
• 제 3 장 결과 ... 54
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 54
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 54
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 57
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 92
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 93
• 제 4 장 사업화 계획 ... 94
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 94
• 제 2 절 사업화 계획 ... 96
• 1. 생산계획 ... 96
• 2. 투자 계획 ... 97
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 97
• 끝페이지 ... 100