시스템 대사공학 및 균주의 지연 공생배양 전략을 기반으로, 포도당으로부터 자스민 향이 나는 화합물인 벤질아세테이트를 생산하는 효율적인 미생물 공정을 최초로 개발하였다.

화장품, 식품 및 음료 제조에까지 널리 애용되고 있는 자스민 향과 일랑일랑 향은 전통적으로 꽃에서 추출하여 생산되어왔다. 꽃으로부터의 추출은 전 세계적인 수요를 충족시키지 못하기에, 산업계에서는 두 향료의 향을 내는 주요 방향성 성분인 벤질아세테이트를 석유 유래 원료 기반 화학적 합성으로 생산하고 있다. 그러나 화학 합성은 재생 불가능한 석유에 의존하기 때문에 인공향료 기피 및 지속가능성 측면에서 문제가 제기되고 있다.

해당 문제를 해결하기 위해 이상엽 특훈교수 연구팀은 시스템 대사 공학을 통해 대장균의 대사 경로 개발 및 조작을 진행하고 균주 공생배양 전략을 적용하여, 재생 가능 원료인 포도당을 중간 화합물인 벤조산을 거쳐 벤질아세테이트로 전환하는 미생물 발효 공정을 개발하였다.

하지만 해당 공생배양 전략을 활용할 경우 벤조산을 벤질아세테이트로 전환하는 데에 이용되는 효소가 벤조산 생합성 중 생성되는 중간체에 비특이적으로 작용해 신나밀아세테이트라는 부산물을 생성하는 것이 확인되었다. 특히 이 과정에서 벤조산 생합성에 필요한 중간체가 소모되어 목표 화합물인 벤질아세테이트의 생산 효율이 감소된다.

이러한 부산물 생성 문제를 극복하기 위해 발효 초반에는 포도당으로부터 벤조산을 생산하는 상단 균주만을 배양해 벤조산을 우선적으로 생산하고, 하단 균주를 뒤늦게 접종해 배양액 내에 축적된 벤조산을 벤질아세테이트로 전환하는 지연 공생배양 전략을 고안했다.

연구팀은 지연 공생배양 전략을 적용함으로써 추가적인 효소 및 균주 개량 없이도 부산물 생성을 억제하고 목표 화합물의 생산 농도를 10배 이상 향상시켜 2.2 g/L의 벤질아세테이트를 생산할 수 있었다. 또한 기술 경제성 분석을 통해 해당 미생물 공정을 통한 벤질아세테이트의 상업적 생산 가능성을 확인하였다.

이번 논문의 제1 저자인 최경록 연구교수는 “이번 연구는 벤질아세테이트라는 산업적으로 유용한 화합물을 효과적으로 생산하는 미생물 공정을 개발함과 동시에, 대사공학 연구 중 효소의 기질 비특이성으로 인해 빈번하게 발생하는 부산물 생성 및 이로 인한 목표 화합물 생산 효율의 저하 문제를 극복하는 새로운 접근을 제시했다는 데 큰 의의가 있다”고 말했다.

또한 이상엽 특훈교수는 “산업적으로 유용한 화합 물질을 지속가능한 방식으로 생산할 수 있는 미생물 공정의 종류와 수를 늘려 나감과 동시에 미생물 균주 개발 중 고질적이고 필연적으로 발생하는 여러 문제를 해결하는 효과적인 전략의 개발에도 힘쓴다면 석유화학산업의 친환경적이고 지속가능한 바이오산업으로의 전환을 더욱 앞당길 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 논문은 네이처(Nature) 誌가 발행하는 ‘네이처 화학공학(Nature Chemical Engineering)’에 2월 26일 字에 온라인 게재됐다. (논문명: A microbial process for the production of benzyl acetate)

한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 바이오의료기술개발사업의 ‘지능형 세포공장기술 구현’ 과제 (과제책임자 KAIST 이상엽 특훈교수) 및 농촌진흥청이 지원하는 농업미생물사업단 (단장 장판식)의 ‘미생물 대사 시스템 제어를 통한 무기물로부터의 단백질 생산 기술 개발’ 과제 (과제책임자 KAIST 최경록 연구교수)의 지원을 받아 수행됐다.