적응형 진화 통해 메탄올 내성 슈퍼 균주 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 고농도 메탄올 속에서도 약 1.7배 빠르게 증식할 수 있는 메탄올 내성 미생물 균주가 개발됐다. 미생물이 메탄올을 원료로 석유화학 제품을 생산하는 ‘바이오 리파이너리’ 기술의 상용화를 앞당길 원천기술로 꼽힌다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 김동혁 교수팀은 적응형 진화 기술로 ‘C1 바이오 리파이너리용’ 메탄올 내성 균주를 만들고 이 균주의 유전자 변이를 찾아냈다고 22일 발표했다.

C1 바이오 리파이너리 기술은 탄소 1개짜리 분자 구조 물질(C1)을 미생물에 먹여서 기존 석유화학 리파이너리에서 생산되던 플라스틱 원료 같은 물질을 생산해내는 기술이다. 메탄올은 C1 원료 중에서도 가격이 저렴하고 운송·저장이 쉬운 물질이다.

연구팀이 개발한 균주는 2.5% 고농도의 메탄올에서도 기존 균주보다 1.68배 빠르게 증식할 수 있다. 바이오 리파이너리 기술이 경제성을 갖추려면 고농도 메탄올에서도 균주가 빠르게 증식해야 한다. 일반적 균주는 메탄올 농도가 1%를 넘어서면 성장이 억제된다.

연구팀은 적응형 진화를 통해 이 같은 균주를 확보했다. 적응형 진화는 메탄올 농도 단계를 높여가면서 단계별로 살아남는 균만 골라내 다시 배양하는 방식이다. 적응형 진화를 거치면 메탄올 내성을 갖는 ‘슈퍼 균주’만 남는다.

이 ‘슈퍼 균주’의 유전체를 분석해 진화 돌연변이도 찾아냈다. 독성 부산물 합성에 관여하는 유전자(metY)와 세포 에너지 소모와 관련된 유전자(kefB)에 돌연변이가 있었다. 각각의 돌연변이는 독성 물질인 메톡신 합성을 억제하고 에너지를 효율적으로 사용하게 만드는 역할을 한다.

제1저자인 이규민 연구원은 “메탄올 기반 바이오 리파이너리 공정용 고성능 미생물의 유전적 설계도를 확보한 연구”라며 “유전자 변이 정보를 이용하면 다시 적응형 진화를 거치지 않아도 유전자 가위 등을 통해 메탄올 내성 균주를 단시간에 대량으로 설계하고 생산할 수 있게 된다”고 설명했다.

김동혁 교수는 “바이오 플라스틱이나 유기산 생산 과정에서 공정 단가를 낮추고 생산량을 늘려 경제성을 확보하는 데 도움이 될 것”이라고 기대했다.

연구 결과(논문명: Integrated genomic and transcriptomic Insights into methanol tolerance mechanisms in Methylobacterium extorquens AM1, identifying key targets for strain engineering)는 국제학술지 ‘바이오로지컬 엔지니어링 저널(Journal of Biological Engineering)’에 1월 12일자 온라인으로 실렸다.