대장균을 이용한 헴 생산 및 세포외 분비 전체 개념도
[대전=일요신문] 육군영 기자 = KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대장균을 발효시켜 바이오매스로부터 헴(haem)을 생산하고 세포 밖으로 분비할 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술은 헴의 생산량을 대폭 높이고 생산된 헴을 효과적으로 세포 바깥에 분비하는 데 성공한 친환경적, 효율적 원천기술로 생산한 헴을 이용한 산업의 확장에 도움이 될 것으로 기대된다.
헴은 생명 유지에 필수적인 철분으로, 혈액에서 산소를 운반하는 헤모글로빈이나 세포 호흡에 필수적인 사이토크롬을 비롯한 여러 중요한 단백질이 작동하는 데 핵심적인 역할을 한다.
인체 흡수율이 높아 고급 철분제나 약물로 이용되고 있으며, 최근에는 헴이 고기 맛의 핵심 요소로 밝혀지면서 콩고기에 헴을 섞어 맛과 영양, 환경, 윤리를 모두 만족시키는 조리법이 주목받기도 하였다.
그러나 기존의 헴 생산 방식은 유기 용매를 이용한 동물의 혈액과 일부 식물 조직으로부터의 추출에 의존하고 있어서 비효율적일 뿐 아니라 친환경적이지 못하다는 한계가 있었다.
대장균을 이용한 헴 생산 기술이 개발된 바 있으나, 생산량이 수㎎(밀리그램)에 그치고 생산된 헴이 세포 내에 축적되기 때문에 헴 추출 등의 문제를 해결하지 못했다.
연구팀은 바이오매스를 이용한 고효율 헴 생산 미생물을 제작하기 위해 대장균 고유의 헴 생합성 회로를 구성하고 기존에 사용되지 않았던 C5 대사회로를 사용해 헴 생산의 전구체인 5-아미노레불린산을 생합성했다.
이를 통해 원가가 비싸고 세포 독성을 일으키는 물질인 글리신을 사용하지 않고도 헴 생산량을 대폭 높이는데 성공한 것이다.
연구팀은 구성한 대장균의 헴 분비량을 더욱 높이기 위해 사이토크롬 생합성에 관여한다고 알려진 단백질인 헴 엑스포터를 과발현함으로써 헴 생산량과 세포외 분비량 모두가 향상된 헴 분비생산 균주를 개발하고, 추가로 헴 엑스포터와 헴의 세포외 분비 사이의 연관성을 밝혔다.
이번 연구를 통해 개발된 기술을 활용하면 환경, 위생, 윤리적 문제없이 재생 가능한 자원을 통해 헴 생산을 할 수 있게 돼 향후 의료 및 식품 산업 등 헴을 이용하는 다양한 분야에 중요한 역할을 할 것으로 예상한다.
이상엽 특훈교수는 “건강 보조제, 의약품, 식품 첨가물 등 다양한 활용이 가능한 헴을 미생물발효를 통해 고효율로 생산했다”며 “생산된 헴의 3분의 2 가량을 세포 바깥으로 분비하는 시스템을 개발함으로써 산업적 활용을 위한 헴의 생산 및 정제를 용이하게 했다는 의의를 갖는다”고 말했다.
자오신루이, 최경록 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’ 8월 28일자 온라인판에 논문명 ‘Metabolic engineering of Escherichia coli for secetory production of free haem(국문 : 자유 헴의 세포외 분비 생산을 위한 대장균의 대사공학적 엔지니어링)’으로 게재됐다.
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