지원사업		C1 가스리파이너리 사업 (과학기술정보통신부, 한국연구재단)
과제명		시스템대사공학 기반 개미산으로부터 숙신산 및 말릭산 생산 미생물 공정 개발
연구자		이상엽 (한국과학기술원 생명화학공학과 교수)
성과	구분	논문 발표
	논문제목/ 저널명	Escherichia coli is engineered to grow on CO2 and formic acid / Nature Microbiology
	임팩트 팩터	15.540
성과요약		개미산과 이산화탄소만으로 잘 증식하는 대장균 개발 -포도당 등의 다른 탄소원 없이 개미산과 이산화탄소만을 사용하여 성장할 수 있도록 대사경로 변형 성공 -개미산과 이산화탄소로부터 범용적 원료 화합물 (피루브산)을 합성하는 대사회로 도입 성공 -대장균 구성성분 합성 대사회로를 강화하여 대장균이 왕성하게 증식할 수 있도록 조작 -개량된 대장균은 개미산과 이산화탄소만이 함유된 배지에서 광학밀도 11 수준까지 증식하는데 성공
연구를 시작한 계기나 배경은?		개미산은 이산화탄소, 일산화탄소 등의 기체 상태의 C1 탄소원으로부터 효율적으로 생산할 수 있고, 보관 및 수송이 용이하기 때문에 C1 가스리파이너리 시스템에서 주요 탄소원으로 사용하기에 적합하다. 하지만 개미산을 다른 고부가가치 화학물질로 전환하는 기술이 없어서, C1 가스리파이너리 시스템에서 탄소원으로 사용하는 데 어려움이 있었다. 본 연구진은 이를 해결하기 위해 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 미생물의 발효공정을 통한 화학물질 생산에 적용이 가능한 수준의 세포 농도까지 성장하는 대장균을 개발하고자 하였다.
기존 지식/기술과 어떻게 차별화되나? (성과의 차별성)		1 선진연구 추격		2 선진연구와 경쟁			3 세계최초 구현
		기존에 보고된 미생물을 이용한 개미산 전환 연구의 경우, 미생물 배양 시 바이오매스 기반 탄소원을 함께 사용하여 개미산은 거의 사용되지 않는 문제점이 있었다. 최근에 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균을 개발한 사례들이 보고되었으나, 대장균의 최대 성장 수준이 매우 낮다는 문제점이 있다. 본 연구에서 개발한 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균의 경우, 기존에 보고된 방법과 차별되는 본 연구진의 독자적인 대사공학적 균주 개발 기술을 통해 제작되었으며, 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 높은 세포 농도까지 성장이 가능하기 때문에, 발효공정을 통해 개미산으로부터 각종 화학물질 생산이 가능하다.
이번 성과는 어떤 점에서 혁신적인지? (성과의 혁신성)		1 기존의 방법으로 현안 도출, 해결방안 제시	2 기존 지식을 개선하는 발견/발명		3 알려진 방법으로 기존 지식을 근본적으로 개선	4 새로운 원리에 기반한 차세대 지식의 발견/발명		5 완전히 새로운 발견/발명
		본 연구에서 개발한 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균의 경우, 세포 대사 흐름에 대한 완벽한 이해를 바탕으로 본 연구진의 독자적인 대사공학적 균주 개발 기술을 통해 제작되었으며, 그 효과가 매우 혁신적이다. 실제로, 기존에 보고된 대장균의 성장이 광학밀도 1 수준으로 실제 산업계에서 각종 화학물질 생산에는 턱없이 부족한 수준이었으나 본 연구에서 개발한 대장균의 경우 광학밀도 11까지 성장하며 발효공정을 통해 개미산으로부터 각종 화학물질을 생산할 수 있는 지평을 열었다고 할 수 있다.
이번 성과의 혜택이나 활용의 수준 (성과의 혜택 및 기대 파급효과)		1 기존에 제공가능한 혜택을 다른 방식으로 제공가능	2 기존에 제공 가능한 혜택보다 향상된 혜택을 제공		3 기존에 제공하지 못한 혜택을 제공	4 수요자의 이목을 끌만한 차별적인 혜택의 향상		5 새로운 지평을 개척할 수 있는 발명/발견
		개발된 기술을 활용하면 대장균을 이용한 발효공정을 통해 개미산 및 이산화탄소로만으로 고농도 세포 성장이 가능하고 향후 바이오 연료, 고분자, 화학 물질을 생산할 수 있다. 이를 통해 온실가스인 이산화탄소 저감에 기여할 수 있다. 또한, 개미산, 이산화탄소, 일산화탄소 등 탄소 하나로 구성된 탄소화합물로부터 각종 화학물질을 생산하는 C1 가스리파이너리 시스템 구축에 필요한 기술을 개발했다는 데에 의의가 있다.
이번 성과가 후속 단계로 발전하기 위해 필요한 과제는? (후속연구 가능성)		본 연구에서 개발한 대장균과 C1 탄소원을 개미산으로 전환하는 기술을 융합하여, C1 탄소원으로부터 화학물질을 생산하는 C1 가스리파이너리 시스템 구축을 최종 목표로 하고 있다. 향후 연구에서는 이번 연구에서 개발한 대장균을 개량하여 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 더 빠르게 성장하는 균주 개발, 개미산으로부터 화학물질을 생산하는 균주 및 발효공정 개발, C1 탄소원으로부터 개미산을 합성하는 공정과 개미산을 화학물질로 전환하는 미생물 발효공정을 하나로 융합하여, C1 탄소원을 화학물질로 전환하는 공정 개발 연구를 진행할 계획이다.
연구과정에서 어려웠던 점은 무엇이며 어떻게 극복하였는지?		개미산 및 이산화탄소 동화 대사경로와 개미산 탈수소화효소를 도입한 후, 개미산과 이산화탄소만을 첨가하여 초기 균주를 배양하였으나, 개미산과 이산화탄소만을 이용하여서는 성장이 불가능했다. 이론상으로는 균주 성장이 진행되어야 했으나, 예상과 다르게 균주 성장은 나타나지 않았고, 이를 해결하고자 다양한 대사공학적 전략을 도입하여 균주 개량을 진행하였으나, 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 균주를 개발하지는 못하였다. 이를 해결하기 위해 균주 개발에 실패하는 원인을 분석하였고, 균주 개량에 사용한 방법이 대장균이 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는데 효과를 보이는지 적절하게 검증할 수 있는 수단이 없는 것이 균주 개발이 진척되지 않는 가장 큰 원인이라고 결론을 내렸다. 따라서 초기 균주 개발 과정에서는 소량의 포도당을 첨가 후 배양하여, 균주 개량을 위해 적용한 대사공학적 전략이 효과가 있는지 검증하는데 주력하였다. 이 과정을 통해 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 대장균이 성장하는데 효과가 있다고 선별된 균주 개량 전략들을 적용하여, 목표로 한 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균 개발에 성공하였다.

□ 연구배경

개미산은 탄소 하나로 구성된 화학물질로, 기존에는 화학적인 방법으로 생산되었으나, 최근에는 생물학적인 방법을 사용하여 일산화탄소로부터 개미산을 생산하는 기술이 개발되었습니다. 개미산은 상온, 상압 조건에서 액체 상태이며, 화학적으로 안정하고 독성이 작아 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄올 등 다른 C1 탄소원에 비해 보관 및 수송이 용이합니다. 이와 같은 이유로 개미산은 향후 C1 리파이너리 시스템에서 화학물질 생산을 위한 주요 탄소원으로 사용될 수 있습니다. 하지만 개미산을 각종 화학물질로 효율적으로 전환할 수 있는 바이오 공정은 보고된 바 없었습니다. 또한, 개미산만을 이용해서는 세포 성장이 불가능했기 때문에 포도당 등 바이오매스 기반 탄소원을 함께 공급할 경우, 바이오매스 기반 탄소원 사용량이 미미하여, 개미산으로부터 화학물질 생산은 거의 이루어지지 않는 문제 등이 존재했습니다. 이에 개미산과 이산화탄소만을 이용해 성장하는 개량된 대장균을 개발하려는 연구가 활발히 진행되었으나 발효공정을 통해 화학물질 생산에 활용할 수 있는 수준까지 성장하지는 못하는 상황이었습니다.

□ 연구내용

본 연구팀의 선행연구에서 개발한 개미산과 이산화탄소를 세포 내 대사산물로 전환하는 대사경로를 도입, 개미산과 이산화탄소로부터 세포 성장에 필요한 탄소원을 합성하도록 대장균을 개량하였습니다. 또한 외래 생명체 유래의 효소를 도입하여 개미산으로부터 세포 대사반응에 필요한 환원력을 공급할 수 있도록 대장균을 개량했습니다. 탄소원 합성과 환원력 공급이 가능하도록 조작한 대장균을 대사공학적으로 개량하여 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장이 가능한 대장균을 개발하였으며, 추가적인 균주 개량을 통해 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 높은 세포 농도까지 성장이 가능한 대장균을 개발하였습니다. 세포 구성성분 합성 대사흐름을 강화하기 위해 대장균의 탄소원 관련 대사흐름을 증가시켰습니다. 또 개미산 동화 대사회로를 통한 대사산물 합성에 영향을 미치는 대장균의 유전자를 제거하는 한편 핵심 효소의 돌연변이체를 도입하여, 세포 대사에 필요한 환원력을 충분히 공급할 수 있도록 대장균을 개량하였습니다. 대장균의 성장을 추가적으로 향상시키기 위해 개미산과 이산화탄소만을 사용한 대장균 배양에 최적화된 배양 조건을 개발하고, 개미산 동화와 관련된 외래 유전자 및 막단백질의 발현량을 미세조절하여 최종적으로는 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 세계 최고의 높은 세포 농도까지 성장하는 대장균을 개발하였습니다.

* 대사공학(metabolic engineering): 미생물을 이용해 특정 화합물을 대량생산하기 위하여 미생물의 대사(metabolism)를 최적화하는 공학

□ 기대효과

개미산과 이산화탄소만을 이용하여 성장하는 대장균 개발 연구는 세계 각국 다양한 연구팀에서 진행되어왔으나, 대장균이 개미산과 이산화탄소만을 이용하여 높은 세포 농도까지 성장이 가능한지에 대한 가능성을 확인하는 초기 단계에 머무는 수준이었습니다. 이번 연구를 통해 개발된 기술을 활용하면 대장균을 이용한 발효 공정을 통해 개미산 및 이산화탄소로부터 바이오 연료, 고분자 및 다양한 화학물질의 생산이 가능합니다. 이는 온실가스인 이산화탄소 저감에 기여 할 뿐만 아니라 개미산, 이산화탄소, 일산화탄소 등 탄소 하나로 구성된 화합물로부터 각종 화학물질을 생산하는 핵심 기술이자 C1 리파이너리 시스템 구축에 필요한 핵심 원천기술입니다.