1. INTRODUCTION ? Who are We?
해양생물공학실험실은 인하대학교 공과대학 생명공학과(http://bio.inha.ac.kr/)에 소속되어 있으며, 1997년 이철균 교수님의 부임 이후로부터 미세조류(microalgae)의 다양한 기능과 특성을 활용한 공학 기술 개발 연구를 꾸준히 수행하고 있습니다. BK21 생물공학융합 해양자원사업화 사업단(http://bk21marinebio.inha.ac.kr/index_kor.html)의 든든한 지원을 바탕으로 국토해양부, 지식경제부, 교육과학기술부, 한국연구재단 등의 지원을 받아, 많은 다른 우수 연구그룹과 여러 산업체와 함께 광합성 생물에 대한 집중적인 연구를 진행중이며, 그 우수성으로 인해 중점연구소 생물산업기술연구소(http://iws.inha.ac.kr/~biolab/krf/main.htm)에 선정되어, 생명공학 기술의 산업화 연구에도 많은 노력을 기울이고 있습니다. 본 실험실에서는 “미세조류의 모든 것”이라고 말할 만큼 미세조류 대량 배양기술에서부터, 미세조류의 유전체/전사체/단백질체 연구는 물론, 컴퓨터를 이용한 시스템 생물학까지 다양한 연구가 진행되고 있으며, 연구하고 있는 미세조류의 출신도 담수, 해수, 극지(極地)등 다양합니다. 또한, 현재 우리나라에서 광생물반응기에 관한 국내외특허를 최다 보유하고 있음에서 알 수 있듯이, 실용성 연구에 중심을 두고 있습니다. 전세계적으로 뜨거운 감자가 되고 있는 바이오에너지원으로서 미세조류 균주 선택, 배양 방법 개발, 시스템 생물학을 이용한 고지질 함유 균주 개량 및 개발에 대한 연구가 실험실의 열기를 가득 채우고 있습니다. 다양한 색상과 기능을 가진 미세조류처럼 다양한 개성과 끼를 지닌 실험실 구성원과 함께 인간미 넘치고 자유스러운 분위기에서 창조적인 실험을 추구하는 실험실입니다. 실험실 연구분야로
1. 미세조류 대량 배양 시스템 개발
2. 생산목적에 따라 맞춤형 광생물반응기 설계 및 제작
3. 미세조류의 단백질과 유전자 분석을 통한 대사 공학 연구
4. 시스템 생물학(systems biology)을 통한 균주의 생리적 특성 이해 및 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 고기능성 신균주 개발 (synthetic biology)
등의 다양한 연구를 통해 미세조류의 산업화에 적용한다는 목표를 가지고 연구를 진행하고 있습니다. 지도 교수인 이철균 교수 이하 연구 교수님 2분, 박사과정 4명, 석사과정 8명이 오늘도 미세조류와 함께 살아 숨쉬며, 도전적인 연구를 위해 달리고 있습니다.
2. 미세조류 & 미세조류의 활용분야
미세조류(microalgae)는 초기 지구 형성과정에서 처음 나타난 생명체 중의 하나이며, 현재 지구의 대기 조성을 만들어 낸 남조류(blue-green algae or cyanobacteria)를 비롯하여 지구상에 수만종이 있는 것으로 추정되고 있으며, 현재까지 이중 100여종만 인위적인 배양이 가능한 것으로 알려져 있습니다. 미세조류의 가장 큰 특징으로 광에너지를 이용하여, 스스로 에너지를 생산하여 사용하는 자가영양주라는 것입니다. 육상식물과 유사한 특징을 지니고 있지만, 단세포로서 성장속도가 빠르고, 크기는 작지만, 지구 대기환경에 엄청난 영향을 끼치는 꽤나 영향력 있는 친구 입니다.
1950-1990년대까지는 주로 미세조류를 carotenoid, 불포화지방산등의 기능성 건강 식품, 사료 첨가제, 의약품을 생산하기 위한 고부가가치의 생산품에 초점을 맞추어 연구가 활발히 진행되었습니다. 그러나, 최근에는 지구 온난화의 주요한 원인인 이산화탄소의 효과적인 생물학적 제거 방법으로 대두되고 있으며, 기타 바이오에너지원 보다 활용가치가 높고, 이산화탄소 제거 효율이 높아 미세조류에 관한 환경 연구에도 적용되고 있습니다. 각종 폐수처리, 폐수에 함유된 중금속의 흡착 등에도 적용되고 있습니다. 화석에너지의 고갈로 인한 미래대체에너지로서 수송용 에너지원인 바이오디젤을 미세조류의 지질로부터 생산하는 방안이 전세계적으로 관심을 받고 연구 되고 있습니다. 작고 귀여운 미생물이지만, 머리부터 발끝까지 하나도 버릴 것이 없는 미생물계의 보석 같은 존재입니다. 그 밖에도 상세한 응용분야는 그림 2을 참고하시길 바랍니다.
3. 해양생물공학 실험실의 연구 내용
3.1 광생물반응기 제작 및 설계
우선적으로 기존의 효모, 대장균, 곰팡이등을 키우는 반응기와는 조금 다른 형태를 띠는 것이 미세조류 배양기 입니다. 이것을 일반적으로 광생물반응기 (Photobioreactor) 라고 합니다. 미세조류 배양 장치는 광합성을 하는 미세조류의 특징처럼, 광에너지의 효과적인 사용을 위해 투명한 재질의 유리, 플라스틱, 비닐형태의 주머니, 연못형태로 반응기의 부피당 표면적을 넓게 하여, 많은 광에너지를 흡수 미세조류가 사용할 수 있도록 설계되어 있습니다. 대부분의 광생물반응기가 얇고 투명한 재질로 되어 있는 것도 이 때문입니다. 좋은 광생물반응기를 설계하기 위해서는 광원의 종류, 반응기의 재질, 가스 공급 형태, 광에너지의 효율성등 고려하여, 규모확대에도 적용이 쉽고 생산성이 높아야 합니다. 특히 바이오에너지 생산이나 이산화탄소제거와 같이 규모가 큰 산업화에 적용하기 위해서는 경제적이고, 제작이 쉬운 획기적인 광생물반응기의 제작에 박차를 가하고 있습니다.
- 미세조류의 고농도 배양시 제한 인자와 생장 환경(온도, 광도, 반응기의 형태, 가스공급)을 연구함으로서, 반응기 디자인에 반영
- Carotenoid, 불포화지방산등의 유용물질 생산의 최적화 반응기 제작
- 바이오디젤 용 fatty acid생산을 위한 반응기의 설계 및 최적화
- 미세조류의 고농도 대량 배양을 위해 중요인자인 광에너지 공급 조절 변수개발을 통해 규모 확대시에 도 일어날수있는 불균형적인 광에너지 공급을 해결하고, 효율적인 광생물반응기를 설계 및 개발
- 자연광과 인공광의 효율적인 조합을 통한 알고리즘 개발
- 경제적인 광생물반응기를 제작하기 위하여 다양한 재질의 고분자 재질 실험
- 다양한 광원(LED, 자연광, 형광등)을 이용한 광에너지 공급 방법 개발
- 점멸광(flashing light)의 공급을 통한 광에너지 사용 절감 및 광합성 효율 향상
- 광파장에 따른 바이오디젤용 지방산 비율 조절
3.2 배양조건 최적화
효율적인 광생물반응기를 디자인 하였다고 해도, 미세조류의 영양보충을 신경 쓰지 않으면 안되겠죠. 미세조류가 먹고 자라는 환경을 이해하여 생산성을 향상시켜 줍니다. 배지에 사용되는 각각의 영양성분들의 최적 조합을 통계적 방법으로 알아냅니다. 아래의 그림과 같은 방법을 알아낸 최적 조합의 균형적인 배지를 사용하여, 튼튼하고 무균의 고농도 미세조류를 키워냅니다. 물론 온도나 가스 공급속도, 가스 혼합 비율, 광도 역시도 수치화된 계산 방법으로 최적점(optimal point)을 찾아 냅니다.
- 통계적인 방법을 이용한 생장 배지의 조성의 최적화 및 가스 공급속도, 광도등의 배양 조건의 최적화
- 배양하고자 하는 목적에 맞는 미세조류 배양 방법 비교 분석
3.3 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산
최근 들어, 화석에너지의 고갈과 환경 오염으로 인한 미래 청정 대체에너지를 찾는 연구들이 급속도로 빠른 진행을 보이고 있습니다. 이러한 에너지 생산에 한 분야를 담당하고 있는 것이 미세조류를 이용한 바이오에너지 생산입니다. 미세조류는 세포 내에 다량의 지질을 함유하고 있으며, 이것을 가공하게 되면, 바이오디젤이라는 경유와 유사한 성분의 바이오에너지를 생산하게 됩니다. 바이오에너지는 화석에너지에 비해 환경친화적이며, 유지 가능한 에너지 생산원으로도 이용됩니다.
- 미세조류로부터 생산된 바이오에너지는 이산화탄소의 배출을 최소화하며, 광합성을 이용한 생산이라 탄소순환이 가능함.
- 환경친화적인 바이오에너지 생산을 통해 유지 가능하고 지속가능한 에너지원 확보 연구
3.4 지구 온난화의 주요원인 이산화탄소의 미세조류를 통한 생물학적 제거
미세조류와 다른 미생물의 다른 큰 하나의 특징은 광합성을 통해 이산화탄소를 먹고 산소를 생산한다는 것입니다. 즉, 살아있는 이산화탄소 고정체입니다. 본 실험실의 연구에서는 이산화탄소 혼합 비율에 따른 제거율을 비교뿐만 아니라, 실제 화석연료의 연소를 통해 발생된 가스를 이용하여, 배양기내로 도입함으로, 실용공정에서 적용했을 경우에 대해서도 연구하고 있습니다.
- 미세조류의 장점인 높은 농도의 이산화탄소에서도 생장이 가능하고, 빠른 성장속도로 화석유래의 에너지연소에서 나오는 이산화탄소를 직접적으로 제거와 효율성 향상연구
3.5 시스템 생물학을 통한 균주 개발
지금까지 다양한 omics technology의 발달에 의한 방대한 data의 축적과 빠른 computer 기술의 발달이 생물정보학을 발전시켰으나, 자료의 분석속도를 따라가지 못하여, 새로운 기술이 필요하게 되었습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 대사회로와 대사산물을 가장 효율적으로 분석하고 이해하는 방법으로 in silico 모델을 이용하는 systems biology가 발달하였으며, 이제는 세포를 in silico에서 simulation하고, 대사재설계의 전략을 신속하게 파악하는 기술과 얻어진 최적조건과 전략을 결정하는 것에서 더 나아가, 우리가 원하는 물질 또는 대사경로만 극대화시키는 기술인 synthetic biology가 절실하게 요구되었습니다. 과거에는 미생물 유래 유용물질을 대량으로 확보하기 위하여, 돌연변이 및 유전자 조작 등을 통하여 개량된 미생물을 이용하였으나, 이러한 전통적인 방법으로 개발되어 현재 산업에 사용되는 균주들은 성장에 필요한 유전자군 외에 진화 및 개발과정에서 새로운 환경에 적응하기 위하여 외부에서 획득한 불필요한 유전자군을 많이 포함하고 있습니다. 이와 같이 불필요한 유전자의 유지 및 발현으로 세포 내 에너지원이 과도하게 사용되고 필요 없는 물질도 생산되므로, 균주에 많은 부담을 주어 균주의 생산성이 크게 저하될 뿐 아니라 제품의 분리·정제의 효율도 낮아 생산제품의 경제성에 한계가 있습니다. systems biology modeling을 이용한 simulation에 의한 target 검색과 그에 따른 대사재설계는 전통적인 균주최적화 과정을 획기적으로 줄일 수 있으며, 불필요한 유전자 및 pathway를 줄임으로써 효율적인 생산균주, 즉, cell factory 개념의 산업용 균주를 상대적으로 용이하게 제작할 수 있을 것으로 기대됩니다.
3.6 단백질과 유전자 연구를 통한 대사공학 연구
본 연구에서는 현미경으로도 드려다 볼 수 없는 미세조류의 깊숙이 숨어있는 세포 내에서 일어나는 대사들을 연구하기 위해, 유전자와 단백질을 연구하는 분야입니다. 단백질체 정량분석을 통하여, 각기 다른 환경/배양 조건에서 발현되는 미세조류의 단백질들을 비교정량함으로서, carotenoid, 불포화지방산등의 기능성 식품이나, 바이오디젤용 지방산 생산에 관련된 단백질들을 비교정량 함으로써 목적물질의 생합성과 관련된 단백질 발굴 및 그 메커니즘을 규명하고 생합성을 조절할 수 있는 인자를 찾고자 하는 연구입니다.
- 광도 및 배지성분 농도 등의 다양한 환경 스트레스 조건별 배양 및 전사체 및 단백질체 분리·비교·분석
- 양이온 교환 크로마토그래피와 역상 액체 크로마토그래피를 이용한 펩티드 샘플의 분획/분리 및 tandem mass spectrometry 분석을 통한 단백질 프로파일의 확보 및 분석
- 동위원소 표지법(iTRAQ)과 LC-MS/MS를 이용한 단백질체의 비교 정량
- 기 확보된 cDNA chip에 의한 전사체 자료와 통합·동정
- 수집된 단백질체 정량정보에 대한 생물정보학 분석
- 발굴된 조절인자 유도발현에 의한 배양과 야생종의 배양 비교
- 완성된 전사체와 단백질체의 분석에 의한 생리적 변화 및 생산성 비교
- 다양한 환경 스트레스 조건 별 조절인자 전사·발현 비교 및 상위 생합성 조절인자 탐색
4. 맺음말
언제나 크고 작은 일에 고민하고, 미세조류가 생각대로 자라주지 않아 속상하고, 때로는 분석기기들이 말썽을 일으켜 힘들고, 힘든 외로운 자기만의 싸움에서 지치더라도, 같은 목표를 위해 달리는 실험실 가족들이 있어, 힘을 낼 수 있는 실험실이 해양생물공학실험실입니다. 언제나 솔선 수범하시고, 건강한 젊음을 보여주시는 교수님!! 실험실에 튼튼한 버팀목이신 연구교수님!! 먼저가 본 길을 후배를 위해 많은 조언을 아끼지 않는 선배님들!! 때론 얄밉고 사소한 문제로 다투기도 하지만 귀여운 후배들!!
”열심히 살아도 후회와 미련은 언제나 남아”라고 하시는 교수님의 말씀처럼 후회 없는 삶을 위해 모든 연구라는 미명아래 밤낮을 바치시는 모든 연구자분들에게 파이팅!!을 외치며, 글을 마무리 합니다.
읽어주셔서 대단히 감사합니다.
언제나 건강하시고, 행복한 시간들 되시길 기원합니다.
감사합니다.
5. Frequently Asked Questions (FAQ)
1. 인하대학교 해양생물공학실험실은 어디에?
인천광역시 남구 용현동 253 인하대학교 7호관 202호 해양생물공학실험실
2. 전화번호는 몇 번 인가요?
전화: 032-860-8772
3. 전자 우편은 어디로 보낼까요?
leecg@inha.ac.kr (이철균 교수님)
4. 글쓴이는 누구세요?
김지훈 (인하대학교 해양생물공학실험실 박사과정생 ^^;;)
