[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 이상엽 카이스트 생명화학공학과 특훈교수 연구팀이 노안 및 백내장 예방에 효과가 있는 대표적인 눈 건강 기능성 성분 루테인을 대량 생산하는 미생물 균주 개발에 성공했다.

기존의 미생물 대사공학을 이용한 루테인 생산 연구에서는 부산물 생성이 많고 루테인 축적량이 제한되는 한계를 가지고 있었다. 루테인 합성 대사경로에서 특정 병목 단계가 존재해서 대사 흐름이 원활하게 진행되지 못했기 때문이다.

이번 연구에서는 루테인 생산 경로에서 주요 병목으로 작용하는 대사반응을 개선하기 위해 전자 채널링(electron channeling) 전략을 도입했다.

루테인을 만드는데 필요한 효소들을 최적화된 단백질 구조 시스템에 가깝게 배열함으로써 효소 주변 재료와 전자의 농도를 높여 루테인 합성 대사 흐름을 효과적으로 증대시켰다.

또한 연구팀은 포도당을 활용해 고효율로 루테인을 생산할 수 있는 미생물 플랫폼을 구축했다. 이는 바이오매스의 주 원료인 포도당으로부터 친환경적인 바이오 기반 루테인 생산 가능성을 제시하는 중요한 성과로 평가된다.

연구팀은 시스템 대사공학 기술과 단백질 간 입체적 거리 제어를 포함한 효소 재배열 전략을 통해 해당 균주를 이용해서 54시간 만에 1.78 g/L의 루테인을 생산하는 데 성공했다. 시간당 생산성을 따지면 32.88 mg/L에 이른다. 이는 기존 식물이나 미세조류에서 루테인을 추출하는 기존 방식보다 훨씬 빠르고 효율적이다. 

이번 연구에서 산업적 활용도가 높고 안전균주 (Generally Recognized As Safe; GRAS)로 분류되는 ‘코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)’을 새로운 생산 호스트로 활용했다. 이 균주를 기반으로 루테인 생합성 경로를 최적화하고, 전자전달 병목을 해결하기 위해 막결합형 P450 효소의 개량했다. 동시에 전자 채널링 스캐폴드 시스템을 도입해 생산성을 획기적으로 향상시켰다.

연구를 주도한 은현민 박사과정생은 “이번 연구는 미생물 기반 루테인 생산의 병목을 해소하고 산업적으로 경쟁력 있는 친환경 공정을 확립한 사례”라며 “향후 루테인을 포함한 다양한 천연물 생산 기술의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이상엽 특훈교수는 “미생물을 활용한 대사공학 기술은 기존의 식물 기반 및 화학합성 방식을 뛰어넘는 차세대 전략으로 부상하고 있다”며 “앞으로도 고부가가치 천연물의 효율적 생산을 위한 연구를 지속하겠다”고 밝혔다.

이번 연구를 통해 얻은 결과물은 이상엽 특훈교수의 교원창업기업인 실리코바이오가 기술 사업화를 추진할 예정이다.