스킵네비게이션

○강 연 일 : 2017년 9월 22일(금)

○강 연 자 : 김 선 원교수(경상대학교)

<그림 1 경상대학교 김선원 교수팀이 연구하는 세포공장의 개념도>

○ 연구배경

세포공장이란?

실험실에서 생명체를 인위적으로 설계 및 제작하는 합성생물학 기술이 전 세계적으로 대두되면서, 인류가 직면한 기존의 많은 문제점들을 해결할 수 있을 것이라는 기대감을 한껏 부풀리고 있다. 특히 자연계에 미량 존재하는 고부가 기능성 화합물들을 대량생산 하는 세포공장을 제조하는 핵심기반기술로서 그 가치는 무궁무진하다.

그럼, '합성생물학이란 무엇일까?' 기존의 바이오 기술의 한계를 극복하기 위한 방안으로 생명현상을 공학적 관점에서 이해 및 접근하고, 표준화된 생물학적 부품의 조합을 통하여 인공 생명체를 만드는 학문분야이다. 합성생물학은 우리가 상상하지 못했던 전혀 새로운 개념의 물질생산 세포공장을 제조하는 것을 가능하게 한다. 기존의 화학공장은 반응기와 파이프라인이 복잡하게 얽혀있고, 주어진 원료로부터 화학반응을 통해 최종 생산물이 만들어진다. 그러나 세포공장은 눈에 보이지도 않는 박테리아 세포 안에 복잡한 생산라인(목적산물 생합성 대사경로)을 설계해서 집어넣고 최적화해서 원료물질로부터 경제적으로 최종산물을 대량생산하도록 한 것이다. 합성생물학 기술은 자연계에 존재하는 유전자와 컴퓨터에서 설계된 인공 유전자를 조합해서 새로운 대사경로를 창출하고, 인간이 원하는 기능을 효율적으로 수행하는 인공생명체를 만드는 것이다. 따라서 세포공장인 인공미생물을 영양분이 풍부한 배양액에 투입해 키우기만 하면 우리가 원하는 화합물을 대량으로 만들어낼 수 있다. 이런 방식으로 본 강연자의 연구실에서는 고부가 기능성 물질, 고품질 바이오연료, 석유대체 화합물들을 생산하는 인공미생물 개발 연구를 수행하고 있다.

○ 강연 소개

- 고부가 기능성 화장품 원료물질 생산에 세포공장 활용

국내 화장품 시장규모는 꾸준히 증가하고 있으며 특히 기능성화장품 시장은 점차 그 비중이 늘고 있다. 따라서 소비자 욕구에 부합되는 보다 높은 효능의 기능성화장품 개발이 요구되고 있다. 기존의 기능성 화장품 원료는 주로 식물에 존재하는 미량 성분을 추출하기 때문에 공급 제한과 비싼 가격이 문제가 되고 있고, 화학합성을 통한 생산은 화학반응 잔류 불순물에 의한 낮은 품질이 문제가 되고 있다. 그러나 세포공장을 이용하면 고품질의 발효제품을 경제적으로 대량생산할 수 있다. 화장품의 기능성은 크게 미백과 주름제거의 두가지를 들수 있다. 미백 기능성 원료소재는 많이 있지만 상대적으로 주름제거 기능성 소재는 제한되어 있고, 기능성을 인정받은 원료는 레티놀(비타민A)가 유일하다. 화장품 소재용 레티놀은 화학합성을 통해서만 생산되고 전량 수입에 의존하고 있다. 그러나 필자의 연구실에서는 합성생물학기술을 이용해서 레티놀 생산 세포공장을 개발했고 대량생산에 성공하였다. 자연계에 레티놀은 식물에 존재하는 베타-카로틴(β-carotene, 비타민A 전구물질)을 초식동물이 섭취해서 레티놀로 전환해서 만들어지는 것으로, 레티놀의 전구물질인 베타-카로틴과 레티놀의 생합성 경로가 각각 식물과 동물로 나뉘어져 있어, 자연 상태에서 레티놀을 일괄적으로 생합성하는 것은 불가능한 것으로 알려져 있었다. 그러나 필자의 연구팀에서는 합성생물학 기술을 이용해서 식물과 동물에 각각 나뉘어져 있는 레티놀 생산경로를 하나의 미생물에 통합하여, 레티놀을 대량 생산하는 '미생물 세포공장'(Microbial cell factory)을 개발한 것이다. 미생물은 대사활성이 매우 높은 생명체로 인류가 필요로 하는 다양한 유용물질 및 발효식품을 생산하는 데 활용되어 왔다. 이런 미생물을 이용하여 고부가가치 기능성 물질인 레티놀을 대량 생산하는 것은 화장품을 비롯한 생명공학 산업 전반에 큰 파급효과를 미칠 것으로 기대되고 있다. 실제로 이번에 개발한 기술은 레티놀뿐만이 아니라 항염, 항산화 및 항노화의 효능이 있는 레티날(Retinal), 레티노인산(Retinoic acid) 및 레티닐 에스터(Retinyl ester)와 같은 레티노이드(비타민 A류)의 맞춤형 생산에 적용이 가능하여 기능성 화장품 원료, 건강 기능식품, 사료 첨가제 및 의료용 제제 등 다양한 분야의 핵심소재로 활용될 수 있는 토대를 마련하였다. 본 기술이 목표로 하는 시장은 1차적으로 레티놀을 활용한 주름 방지 및 개선 기능의 화장품 소재 분야이고, 향후 건강기능식품ㆍ의약품 소재 등에도 활용이 가능하다. 주름개선 화장품의 생산액은 2007년 2200억 원에서 2011년 3231억 원 규모로 연평균 약 9.4%의 시장 성장률을 나타냈고, 레티놀 성분을 함유하는 복합기능성 화장품의 생산액을 포함하면 시장성이 매우 큰 분야이다. 전 세계적인 고령화 추세로 피부노화 방지를 위한 레티놀 화장품 및 원료에 대한 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상되고 있다. 전량 수입되고 있는 화학합성 레티놀은 1g에 약 15만 원으로 고가인 반면 본 기술을 통해 개발된 레티놀의 생산비는 1g에 약 4000원 수준으로 예측되기 때문에 매우 저렴하다.

○ 연구팀 및 연구 소개

본 연구팀은 최첨단 합성생물학 기반의 생명공학기술을 이용해서 고부가 생리활성기능물질, 의약용 물질, 바이오연료, 화학산업 기반화학물질 등을 생산하는 인공미생물(세포공장)을 만드는 연구를 수행하여 산업화에 근접한 우수한 연구성과들을 축적했다. 고부가 이소프레노이드 생산 연구분야에 있어 국내 선두그룹에 속할 정도로 기술력을 갖추고 있으며 다수의 국제 원천특허를 보유하고 있다. 특히 고가의 화장품 원료인 레티놀을 포함한 이소프레노이드 생산과 관련해 UC버클리대의 키슬링 교수팀과 더불어 세계 최고수준에 있는 것으로 평가받고 있으며, 키슬링 교수와의 공동연구를 통해 이소프레노이드 생산기술 분야에 대한 국제 원천특허들을 획득하였다. 또 합성고무의 원료인 이소프렌을 생산하는 인공미생물을 개발하는 연구 등을 국내 최초로 착수해 세계 최대 타이어 업체인 굿이어와 다국적 거대기업인 듀폰과의 치열한 기술개발 경쟁을 하고 있다. 그리고 3세대 바이오연료로 비식용 섬유소 바이오매스로부터 석유 보다 좋은 탄화수소계 이소프레노이드 바이오연료 생산기술 개발을 진행하고 있다. 의약용 물질로는 주목나무에서 만들어지는 항암제인 택솔의 전구체인 택사디엔을 인공미생물을 통해서 생산하는 연구를 진행하고 있다. 본 연구팀은 이소프레노이드계 화합물 외에도 무칼로리 고감미 기능성 당인 사이코스 생산과 당뇨병 환자들을 위한 혈당강하기능 당알코올인 피니톨 생산연구도 진행하고 있다. 이러한 연구들은 국내기업들과 긴밀한 관계를 맺고 대량생산 및 제품화에 주안점을 두고 수행되고 있다.