KAIST 대사 및 생물분자공학 연구실
2011-02-09
김현욱(ehukim)
- 10196
- 0
I. 대사공학(Metabolic Engineering)과 시스템 대사공학(Systems Metabolic Engineering)
대사공학(Metabolic Engineering)이란 유전자 재조합 기술을 비롯한 분자생물학 기술과 화학공학적 기술을 이용하여 새로운 대사회로를 도입하거나 기존의 대사회로를 제거•증폭•변경시켜 세포의 대사특성을 우리가 원하는 방향으로 바꾸는 일련의 기술(directed modification)을 말합니다. MBEL에서는 산업에 도움이 되는 고부가가치 물질을 생산하기 위하여 미생물의 대사공학을 연구하고 있으며, 원천기술은 물론 실제 산업에 적용 가능한 응용기술 개발에도 많은 노력을 기울이고 있습니다. 특히 미생물 대사공학을 통한 고부가가치 물질의 대량생산을 위해서 컴퓨터를 이용한 미생물의 시뮬레이션(아래 ‘시스템 생명공학’ 참조), 유전자 조작 기술, 생물공정의 최적화 등 다양한 요소들을 고려하고 있는데, 이러한 통합적 대사공학 기법을 시스템 대사공학 (Systems Metabolic Engineering)이라고 일컫습니다.
이 분야에서의 주요 연구활동은 다음과 같습니다.
1. 유전자 조작 기법, 유전자 칩, 가상세포에 기반한 시뮬레이션 등 일련의 기술을 대장균에 적용하여, 산업적으로 중요한 아미노산인 L-valine과 L-threonine을 대량생산하는 대장균을 개발하였습니다. 이들 연구 결과는 그 우수성을 인정받아 Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS, 2007)와 Nature지에서 발간하는 Molecular Systems Biology (2007) 학술지에 게재되어, 본 연구의 우수성을 인정받았습니다.
2. 플라스틱의 원료로서 기존의 석유를 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으는 생분해성 고분자인 polylactic acid (PLA)를 대장균의 시스템 대사공학을 통해서 합성하는 데에 성공하여, 생명공학 계의 권위지인 Biotechnology and Bioengineering (2010)에 게재되었으며, 동시에 Spotlight paper로 선정되었습니다. 특히 CNN, Economist, U.S. News 등 주요 해외 언론에 보도되면서 본 연구의 중요성을 세계에 각인시키는 계기가 되었습니다.
3. 나일론의 원료인 putrescine이라는 화합물을 대장균을 이용하여 합성하는 데 성공하였으며, 이 연구 결과는 Biotechnology & Bioengineering (2009) 학술지의 50주년 기념호에서 표지 논문과 주목할 논문 (Spotlight paper)•편집장 우수 논문으로 동시에 선정되었습니다. 또한 과학계의 최고 권위지인 Nature 학술지에서 Research Highlight Paper로 선정되어 본 연구의 우수성을 인정받았습니다.
4. 최근에는 서울대 박영환 바이오시스템•소재학부 교수팀과의 공동연구를 통해 시스템 대사공학으로 대장균을 개량하여 초고분자량 거미실크 단백질을 생산하는 데에 성공하여, 과학계의 권위지인 Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS, 2010)에 게재되었습니다. 본 원천기술은 기존 석유화학 제품을 대체할 수 있는 것으로 기대를 모으며, 상용화되면 방탄복•케이블 등에 응용이 가능할 것으로 보고 있습니다.
5. 이 밖에도 한우의 반추위에서 분리한 Mannheimia succiniciproducens라는 미생물을 이용하여 숙신산 대량생산 및 전체 생산공정 최적화를 목표로 하는 연구가 진행되고 있습니다. 숙신산은 산업적으로 중요한 여러 화학물질로 유도될 수 있는 고기능성 기초 화학물질로서 관련시장은 200억 불 이상으로 추정되고 있습니다. 그리고 바이오에너지와 관련하여 에탄올보다 월등한 물성을 가진 alkane계 화합물, 부탄올 등의 바이오연료 생산을 위한 시스템 대사공학 연구가 수행 중에 있습니다.
II.나노바이오기술 (NanoBiotechnology)
나노바이오기술(Nanobiotechnology)은 나노미터 (10억분의 1미터) 수준에서 나노입자, 나노선, 나노튜브 등과 같은 나노 재료를 제어하는 나노기술과 DNA, 항체, 효소 등을 다루는 바이오 기술이 결합된 기술을 말합니다. 본 연구실에서는 단백질 또는 유전물질의 재조합 발현을 이용한 나노기술과의 융합 구현, 그리고 초미세 전자기계 시스템과 바이오기술과의 융합 구현 등에 관한 연구를 통하여 탄소나노튜브, 나노입자를 이용한 전기화학적 바이오센서, (L)SPR biosensor, 마이크로플루이딕(microfluidic) 기술을 이용한 Lab-on-a-chip 개발 연구를 수행하고 있습니다.
나노바이오 분야에서의 MBEL의 최근 연구활동은 다음과 같습니다.
1. 다양한 금속 나노입자를 기존의 물리화학적 공정이 아닌 재조합 미생물과 이의 생물공학적 배양을 통해 합성하는 기술을 개발하였습니다. 본 기술은 다양한 종류의 금속 나노입자를 원하는 크기로 자유롭게 조절할 수 있으며, 향후 의료분야와 생물공학 연구개발에 응용이 가능할 것으로 보고 있습니다. 해당 연구는 화학분야의 세계적인 학술지인 Angewandte Chemie International Edition (2010)에 게재되었으며, 해당 출판호의 Hot Paper로, 소재과학 분야의 세계적 권위지인 Nature Asia Materials에서 Highlight로, 그리고 Nanowork에서 Spotlight으로 선정된 바 있습니다.
2. 병원성 미생물의 검사비용을 낮추고 항생제의 투여시기를 최적화고자 하는 일환으로 금 나노선을 이용하여 여러 병원성 미생물을 동시에 정확히 진단할 수 있는 다중병원균 진단센서를 카이스트 화학과 김봉수 교수팀와의 공동연구를 통해 개발하였습니다. 나노물질을 이용한 의학 분야에의 응용연구의 창의성과 의학적 중요성을 인정받아 나노 분야의 세계적 권위지인 Nano Letters (2010)에 게재되었습니다.
III. 시스템스 생명공학(Systems Biotechnology)
시스템 생명공학(Systems Biotechnology)이란 생물을 시스템 차원(systems level)에서 연구함으로써, 생명체 내의 구성성분들의 상호작용을 이해하고, 시스템 대사공학을 위해 필요한 요소들을 효율적으로 예측하는 것을 가능하게 하는 새로운 생명공학 분야를 뜻합니다. 생물학, 시스템 과학, 전산학, 수학, 그리고 화학공학 등의 여러 분야를 통합하여 세포의 복잡한 생명체 시스템을 분석하고, 궁극적으로 가상세포(In silico cell)의 개발을 목표로 하고 있습니다.
1. MBEL에서 구축한 대표적인 가상세포로는 숙신산 생산균주인 Mannheimia succiniciproducens (Biotechnology and Bioengineering, 2007), 재조합 단백질을 효과적으로 생산해낼 수 있는 효모의 일종인 Pichia pastoris (Biotechnology Journal, 2010), 여러 화학고분자들을 분해할 수 있는 미생물인 Pseudomonas putida (Biotechnology Journal, 2010)가 있습니다. 시스템 생명공학을 신약개발을 위한 병원성 미생물에도 적용하고 있는데, 대표적인 예로 항생제에 대한 내성으로 큰 문제를 불러일으키고 있는 Acinetobacter baumannii라는 병원균의 가상세포를 구축하여, 이를 효과적으로 박멸할 수 있는 방법론을 개발하였습니다 (Molecular BioSystems, 2010).
2. 가장 최근에는 전남대 이준행 교수팀, 생명과학연구원, 한국화학연구원이 참여한 공동연구를 통하여 폐혈증을 일으키는 병원성 미생물인 Vibrio vulnificus의 가상세포를 구축하고, 이로부터 효과적으로 항생제를 찾는 방법론을 개발하였습니다. 앞으로 게놈 정보를 이용하여 감염성 질환을 비롯한 다양한 질병에도 적용이 가능할 것으로 예상되며, 본 연구결과는 세계적 권위의 과학학술지 Nature의 자매지인 Molecular Systems Biology (2011)에 게재되었습니다.
3. 가상세포의 구축 외에도, 가상세포의 예측능력을 향상시키기 위하여 미생물의 게놈과 대사흐름의 정보를 가상세포에 통합한 시뮬레이션 기법을 새로이 개발하였습니다. 향상된 예측능력을 통하여 바이오 연료나 화합물질 생산을 위한 미생물 개량에 응용이 가능할 것으로 평가받고 있으며, 본 연구는 세계적인 과학학술지인 Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS, 2010)에 게재하였습니다.
4. 성공적인 대사공학 실험을 위하여 가상세포를 이용한 미생물의 유전자를 결실시키는 방법론은 비교적 잘 발달되었지만, 특정 유전자의 발현 및 해당 단백질의 활성을 증가시키는 조작을 예측하는 기술은 불충한 상태였습니다. 이에 가상세포를 이용한 유전자 증폭 기술을 개발하여 대사공학계의 주요 학술지인 Applied and Environmental Microbiology (2010)에 게재하였으며, 본 연구 성과의 중요성을 인정받아서 과학계 최고의 학술지인 Science지의 Editor's choice에 선정되어, 연구의 우수성을 인정받았습니다.
대표전화: 042-350-8811
팩스: 042-350-8800
연구실 홈페이지: http://mbel.kaist.ac.kr