KAIST 이상엽 교수, "아미노산과 화이트 바이오텍 제품 산업화에 적용, 핵심 경쟁력 확보"

【서울=헬스코리아뉴스/이지폴뉴스】과학기술부는 24일, KAIST 생명화학공학과 이상엽 교수팀이 시스템 생명공학 기법을 이용, 세계 최고 수율(收率)의 발린(L-valine) 생산 균주 개발에 성공했다고 밝혔다.

이 교수팀은 대장균 게놈에서 필요한 부위만을 선택적으로 조작하여 초기 생산 균주를 제작하고, DNA 칩을 이용한 전사체(transcriptome) 분석을 통해 새롭게 조작할 1차 타깃 유전자들을 발굴했다. 대장균 가상 세포인 MBEL979를 이용, 유전자 결실(缺失) 실험을 컴퓨터상에서 대량으로 수행한 뒤 2차 엔지니어링 타깃들을 발굴했다.

연구팀은 이 실험 결과를 실제 균주 개발에 적용, 세포내 대사흐름 최적화를 달성해 최종적으로 100g의 포도당으로부터 37.8g의 발린을 추출할 수 있는 세계 최고 수율의 발린 생산균주 제작에 성공한 것.

현재 상품화된 식품, 의료 분야에서 널리 활용되는 아미노산들의 생산 균주는 오랜 기간에 걸친 무작위 돌연변이화 기법에 의해 만들어졌다. 이들은 고수율에도 불구하고 돌연변이로 원하지 않는 변이들을 내포하고 있어 이 돌연변이의 규명에 시간과 비용이 많이 들고 추가 균주 개량이 어렵다.

이 교수팀은 기존의 무작위 돌연변이화 기법을 배제하고, 시스템 생명공학 기법을 도입, 필요한 변이만을 선별적으로 채택했다.

이 기법은 단기간에 고수율의 생산 균주 제작이 가능하고, 균주의 생리 상태를 정확히 파악할 수 있어서 추가 균주 개량이 용이하다는 장점이 있다. 또한 가상세포에 기반한 시스템 생명공학 기법을 실제 산업화에 적용하여 우수한 균주를 개발했다는데 큰 의의가 있다.

이 교수는 "이번 연구 과정에서 새로운 발린 엑스포터의 기능과 조절기작을 처음으로 규명함으로써 시스템 생명공학 기법의 우수성을 입증했다"고 말했다.

고효율 산업 균주 개발은 세계에서 처음으로 대사공학 기술, 전사체 분석을 통한 타깃 발굴 및 적용, 가상세포 시스템을 이용한 타깃 발굴 등을 통합, 향후 바이오텍 핵심 전략 기술로 평가된다.

연구팀은 "이 기술을 아미노산과 다양한 화이트 바이오텍 제품들의 산업화에 적용하면 핵심 경쟁력을 확보하고 고수익 창출 효과를 가져올 수 있다"고 설명했다.

이상엽 교수는 “시스템 생명공학 기법이 체계적인 시스템 수준에서 균주개발에 성공적으로 이용됨에 따라, 기타 아미노산을 비롯하여 모든 생물공학산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다"며 "초기에는 IT와 BT를 융합함에 있어 어려움이 많았으나 이를 슬기롭게 극복한 연구팀원들이 자랑스럽다”고 말했다.

연구 관련 생산균주와 그 제조 방법은 국제특허(PCT)를 출원했으며, 이번 연구결과는 4월 넷째주(23일~27일) 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA)에 게재된다.

[용어설명]

1) 전사체: 생물체의 유전자가 RNA로 전사되어 단백질로 발현되는데, 이때 전사된 모든 RNA의 집합체를 전사체라고 한다. 오믹스 기술의 하나인 DNA chip 실험을 통하여 전사체 데이터를 다량 확보할 수 있으며, 이를 통해 균주의 생리 상태를 규명함으로써 균주개량에 응용할 수 있다.

2) 가상세포: 세포내에서 일어나는 모든 효소 반응을 컴퓨터에서 재구성하여 실제 세포처럼 반응 시켜 결과를 예측하는 시스템을 말한다.

3) 오믹스: 세포 또는 개체 내에서 발현되는 단백체(proteome), 전사체(transcriptome), 대사체(metabolome), 흐름체(fluxome) 등 생명현상과 관련된 중요한 물질에 대한 대량의 정보를 획득하여 이를 전산학적 기법으로 분석하여 전체적인 생명현상을 밝히려는 학문이다

4) 시스템 생명공학: 각종 오믹스(transcriptome, proteome, fluxome, metabolome) 데이터를 융합하여 세포의 생리 상태를 다차원에서 규명함으로써 유용한 균주로의 개량을 가능하게 한다.

5) 엑스포터: 세포내에서 만들어진 아미노산을 세포밖으로 분비시키는 역할을 하는 단백질을 말한다.

◆이상엽 교수는 누구인가

1986년 서울대학교 화학공학과를 졸업하고, 1991년 미국 노스웨스턴대학교 화학공학과에서 석박사를 마쳤다. KAIST에서 약 13년 동안 대사공학과 시스템생명공학에 관한 연구를 집중적으로 수행하여 그 간 국내외 학술지논문 220편, proceedings논문 148편, 국내외 학술대회에서 838편의 논문을 발표했다.

또 그간 244건의 특허를 국내외에 등록 혹은 출원하였는데, 미국 엘머 게이든상과 특허청의 세종대왕상을 받는 등 기술의 우수성이 입증된 바 있다. 생분해성고분자, 광학적으로 순수한 정밀화학물질, DNA chip, Protein chip 등의 기술 개발에서 탁월한 연구 업적을 쌓았고, 최근에는 소위 omics와 정량적 시스템 분석기술을 통합하여 생명체 및 세포를 연구하는 시스템 생명공학분야 연구와 게놈정보 이용 생물공정기술 개발에 매진하고 있다.

이 교수는 그간 제 1회 젊은 과학자상(대통령, 1998), 미국화학회에서 엘머 게이든 (Elmer Gaden)상 (2000), 싸이테이션 클래식 어워드(미국 ISI, 2000), 대한민국 특허기술 대상(2001), 닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인(2003), KAIST 연구대상(2004), 한국공학한림원 젊은 공학인상(2005) 등을 수상했다.

2002년에는 세계경제포럼으로부터 아시아 차세대 리더로 선정되어 활동 중이며, 2006년에는 미국미생물학술원 (American Academy of Microbiology) 펠로우 (fellow), 그리고 우리나라에서는 처음으로 Science지를 발간하는 미국 AAAS (American Association for the Advancement of Science)의 펠로우로 임명(2007년)되었다.

최근에는 KAIST 최고의 영예직인 특훈교수에 임명되었다(2007). 현재 Biotechnology and Bioengineering 등 10여개 국제학술지의 편집인, 부편집인, 편집위원으로 활동 중이다.

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헬스코리아뉴스/임호섭 기자 기자
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