미생물 내에 축적된 오일과 이를 기반으로 생산되는 지방산 및 바이오 디젤(KAIST 제공) /© 뉴스1

KAIST(총장 신성철)는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 비식용 바이오매스를 통해 최고 성능을 갖는 지방산과 지방산 유도체로 전환하는 미생물 균주와 발효 공정을 개발했다고 19일 밝혔다.재생 에너지와 관련된 산업적 의미의 바이오매스는 연소나 화학적 생화학적 전환을 통해 에너지를 얻을 수 있는 식물 유래 산물을 뜻한다.

바이오매스는 전통적인 연료인 석유나 석탄보다 이산화탄소 배출을 절감할 수 있고 친환경적인 에너지원으로 여겨지고 있다.

바이오매스는 전환과정을 통해 바이오가스, 바이오디젤, 에탄올, 메탄올 등의 연료나 다양한 화학물질 생산에 활용될 수 있다.

화석 원료는 현대 산업의 기초 물질이자 우리 생활 전반에 광범위하게 이용되는 원료 및 에너지원이다. 그러나 원유 매장량 고갈에 대한 우려와 원유 산업으로 인한 온난화 등의 환경문제가 세계적으로 매우 심각한 상황이다.

우리나라의 경우 석유를 전량 수입에 의존하기 때문에 국제 유가 변동에 매우 취약해 환경 문제 해결과 원유를 대체할 수 있는 지속 가능한 바이오 기반 재생에너지의 생산이 필수다.

이에 재생 가능한 자원 기반의 바이오 연료 개발이 활발히 이뤄지고 있는데, 그중 경유를 대체할 수 있는 환경 친화적 연료가 바이오 디젤이다.

바이오 디젤은 주로 식물성 기름이나 동물성 지방의 에스터교환(transesterification) 반응을 통해 만들어지고 있다.

연구팀은 바이오 디젤 생산을 위해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스 주성분인 포도당으로부터 지방산 및 바이오 디젤로 이용할 수 있는 지방산 유도체를 생산하는 균주를 개발했다.

연구팀은 자연적으로 세포 내 기름을 축적하는 것으로 알려진 미생물인 로도코커스(Rhodococcus)를 시스템 대사공학을 통해 대사 회로를 체계적으로 조작해 최고 성능의 지방산 및 바이오 디젤을 생산하는 균주를 개발했다.

우선 로도코커스의 배양 조건을 최적화한 뒤 포도당을 섭취해 세포 내 과량의 기름(트리아실글리세롤, triacylglycerol)을 축적하게 했다. 이후 선별한 외부 효소를 도입해 효과적으로 기름을 지방산으로 전환해 최고 농도의 지방산 생산 균주를 개발했다.

또 지방산을 두 가지 형태의 바이오 디젤 연료 물질로 효율적으로 전환하는 추가적인 유전자 조작을 통해 바이오 디젤을 최고 성능으로 생산하는 데 성공했다.

앞서 연구팀은 대장균을 이용해 바이오 연료인 휘발유를 생산하는 미생물 세계 최초로 개발한 바 있다.

그러나 이 기술은 대사 설계에 중심을 둔 최초의 연구여서 생산 농도가 리터당 약 0.58g 정도로 매우 낮다는 한계가 있었다.

연구팀은 이 같은 한계를 극복해 로도코커스 균주를 이용, 포도당으로부터 리터당 50.2g의 지방산 및 리터당 21.3g의 바이오 디젤을 생산하는데 성공했다.

이에 따라 향후 식물성이나 동물성 기름에 의존하지 않고 비식용 바이오매스로부터 미생물 기반 바이오 연료의 대량 생산까지 가능하게 할 것으로 기대된다.

이상엽 특훈교수는 “화석원료나 식물, 동물성 기름을 원료로 쓰지 않고 지구상에 가장 풍부한 리그노셀룰로즈를 원료로 고효율 지방산과 바이오 디젤을 생산했다”며 “앞으로 환경문제 해결과 원유, 가스 등 화석연료에 의존해온 기존 석유 화학 산업에서 지속할 수 있고, 환경 친화적인 바이오 기반산업으로의 재편에 큰 역할을 할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제의 지원으로 수행됐다.

연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)’ 온라인 판에 지난 17일 게재됐다.


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