주 메뉴 바로가기 본문으로 바로가기

전체 메뉴 사이트맵

닫기

본문 바로가기

연구성과

정부부처에서 발표된 BT주요성과를 소개합니다.

홈 > 소식 > 연구성과

scrap print facebook twitter naverBand url
글 읽기

메탄에서 식품소재와 바이오플라스틱 원료 만든다

성과명 메탄에서 식품소재와 바이오플라스틱 원료 만든다 조회 1147
사업명 C1 가스리파이너리 사업 지원기관 과학기술정보통신부
연구자명 안 덕 뉴엔, 투 테이 뉴엔, 이옥경, 이은열 연구기관 경희대학교
등록일 2020-09-10 발간일 2020-09-10
내용바로가기 http://www.nrf.re.kr/cms/board/general/view?menu_no=95&page=&nts_no=141662&search_type=NTS_TITLE&search_keyword=
첨부파일

20200910 보도자료 경희대 이은열.hwp(1493.504 KB) , 다운로드 수 : 138회 바로보기

평점 평점이 없습니다.

핵심내용

 

메탄에서 식품소재와 바이오플라스틱 원료 만든다

메탄자화균 개량을 통해 라이신과 카다베린 생합성


□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이은열 교수(경희대학교 화학공학과) 연구팀이 메탄에서 고부가가치 화학제품을 생합성하는 전략을 제시하고 해당 전략을 기반으로 메탄 유래 식품소재와 바이오플라스틱 원료를 생산하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

 

□ 메탄은 이산화탄소와 함께 온실가스의 주요성분으로 꼽힌다. 양적으로는 이산화탄소가 우위에 있으나, 미국 환경보호청(EPA)에 따르면 20년 단위로 평가한 지구온난화지수 기준으로 메탄이 이산화탄소보다 온난화 효과가 84배 이상 강력하다.

 

□ 최근 메탄의 생물학적 전환에 관한 연구가 활발한 가운데 메탄을 탄소원 및 에너지원으로 사용하는 메탄자화균이 주목받는다.

○ 메탄자화균은 상온·상압의 조건에서 메탄을 알코올, 유기산, 올레핀 및 바이오폴리머 등의 고부가가치 산물로 대사한다.

 

□ 이에 연구팀은 메탄자화균 관련된 연구동향을 분석하고, 메탄자화균의 메탄 및 메탄올 대사, 메탄자화균에 사용된 시스템 생물학 및 합성생물학 접근법, 대사공학적 개량을 통한 메탄자화균의 화학물질 및 바이오 연료 생산을 위한 연구전략을 제시하였다.

 

□ 연구팀은 이러한 전략을 토대로 메탄과 이산화탄소를 동시에 동화할 수 있는 유형 II 메탄자화균의 개량에 성공하였다.

○ 또 개량된 메탄자화균을 가스 발효하여 식품 및 사료 소재인 라이신※과 바이오 나일론의 원료인 카다베린을 생합성할 수 있었다.

※ 라이신 : 식품 및 사료로 사용되는 아미노산. 우리나라가 점유율 1위를 기록.

○ 탁월한 내열성과 기계적 강도 덕분에 다양한 산업분야에서 활용 되는 나일론은 대부분 석유에서 생산된다. 보다 지속가능한 바이오 나일론 생산이 요구되는 가운데 석유 유래 나일론과 유사한 나일론을 만들 수 있는 원료인 카다베린을 온실가스로 부터 얻을 수 있는 실마리를 찾은 것이다.

 

□ 온실가스이기도 하지만, 천연가스, 셰일가스, 바이오가스의 주성분으로 경제적인 탄소자원인 메탄을 환경친화적으로 활용할 수 있다면 기후변화대응 측면에서도 의미가 있을 것으로 기대된다.

 

□ 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 C1 가스리파이너리 사업의 지원으로 도출된 메탄자화균 플랫폼은 Cell Press에서 발행하는 Trends in Biotechnology 온라인판에 8월 19일 게재되었다.

○ 한편 메탄 유래 라이신 및 카다베린 생산은 영국화학회가 발간하는 Green Chemistry에 9월 1일 온라인 게재되었으며 연구의 우수성을 인정받아 백커버(back cover) 논문으로 선정되었다.

상세내용

󰊱 주요내용 설명

< 논문명, 저자정보 >

 

논문 1/ Trends in Biotechnology

논문명

Engineered Methanotrophy: A Sustainable Solution for Methane-Based Industrial Biomanufacturing

저널명

Trends in Biotechnology 819

저 자

이은열 교수(교신저자/경희대학교),

안 덕 뉴엔 (Anh Duc Nguyen) 박사(1저자/경희대학교)

 

논문 2 / Green Chemistry

논문명

Bioconversion of methane to cadaverine and lysine by engineered type II methanotroph, Methylosinus trichosporiumOB3b

저널명

Green Chemistry 91

저 자

이은열 교수(교신저자/경희대학교),

투 테이뉴엔 (Thu Thi Nguyen) 박사과정(공동 제1저자/경희대학교),

이옥경 연구교수 (공동 제1 저자/경희대학교)



1. 연구의 필요성

○ 메탄은 온실가스의 주요 성분으로 이산화탄소보다 지구온난화 잠재력이 84배 더 높다. 다른 한편으로는, 메탄은 천연가스 및 바이오 가스의 주성분으로 풍부하고 가격이 매우 저렴하여 탄소원으로 활용할 수 있다.

○ 대부분의 미생물 기반 바이오촉매는 바이오매스 유래 포도당을 탄소 원으로 사용하며, 포도당은 전체 공정비용의 많은 부분을 차지한다. 이에 반하여, 메탄은 풍부하고 저렴하며, 식량자원이 아니어서 윤리적 이슈도 없어 매력적인 차세대 탄소원으로 평가되고 있다.

○ 메탄 기반 바이오리파이너리는 지속가능한 고부가가치 화학물질 생산을 위한 유망한 접근 방식이며, 메탄자화균은 메탄을 탄소원으로 사용할 수 있어 메탄의 생물학적 전환을 위한 매력적인 플랫폼 균주이다.

○ 최근, 미국, 유럽 및 한국을 중심으로 메탄의 생물학적 전환을 통한 고부가가치 유용 산물 제조 기술 개발에 대한 관심이 증가하고 있어, 메탄자화균 플랫폼 기술 개발과 이를 이용한 고부가가치 산물 생산에 관한 원천 기술 개발은 향후 석유 화학을 가스 기반의 바이오화학으로 보완할 수 있는 미래 핵심 기술이다.

 


2. 연구내용
논문 1/ Trends in Biotechnology
 ○ 연구팀은 생명공학 분야에서 메탄자화균의 중요성을 부각시키고, 지금까지 밝혀진 메탄자화균의 메탄 및 메탄올 대사 과정을 분석하였다. 그중에서도 가상 세포 tool인 게놈 수준 대사모델을 이용하여 일부 해명된 미립자 메탄 산화효소 (pMMO)의 전자전달 시스템의 3가지 메커니즘에 관한 연구 결과를 분석하였다. 또한, C1 동화를 위한 메탄자화균의 대사경로를 시스템 수준으로 분석하였다.
※ 게놈 수준 대사모델(GEM,genome-scale metabolic model) : 유전체 정보에 근거하여 주어진 생명체의 대사과정 전체를 다루는 모델. 주어진 생명체가 수행할 수 있는 대사반응에 대한 화학양론적 정보가 담겨 있으며, 각 대사반응에 어떤 효소들이 관계되어 있는지에 대한 정보, 즉 유전자-단백질-대사반응 관계도가 포함되어 있음.
○ 최근 대장균 기반의 시스템 생물학 및 합성생물학 기술이 메탄 자화균에 응용되어 메탄자화균의 생리학적 특성을 이해하는데 많은 정보를 제공하였다. 현재까지 보고된 균주별 메탄자화균의 다중오믹스 분석 현황 및 게놈 수준 대사모델 개발에 관한 연구를 분석하였다.
※ 다중오믹스 분석 : 유전체학(Genomics), 전사체학(Transcriptomics, 단백체학 (Proteomics), 대사체학(Metabolomics) 등 다양한 분자 수준에서 생성된 여러 데이터들의 총체적이고 통합적인 분석을 의미함
 ○ 또한, 메탄자화균의 대사공학적 개량을 통한 메탄 유래 다양한 고부가가치 화학물질 및 연료 생산에 관한 연구를 분석하였다. 이를 바탕으로 C1 탄소원의 효율적 산화 및 동화를 위한 메탄자화균의 대사공학적 개량 전략을 제시하였다.


논문 2 / Green Chemistry
 ○ 메탄을 탄소원 및 에너지원으로 사용하는 메탄자화균은 상온·상압의 친환경적인 조건에서 생물학적으로 메탄을 고부가가치 산물로 전환할 수 있다. 많은 연구자들은 메탄자화균을 산업용 균주로 활용하여 다양한 고부가가치 산물을 만들고자 노력하였으나, 메탄자화균의 생명현상에 대한 이해 부족과 메탄자화균 개량을 위한 유전자 도구의 부족으로 인하여 아직 연구 초기 단계이다.
 ○ 특히, 유형 II 메탄자화균의 대사공학적 개량은 보고된 바 없었으며, 최근 이은열 교수 연구팀에서 유형 II 메탄자화균의 대사공학적 개량을 세계 최초로 성공하였고, 이 기술을 기반으로 개량된 유형 II 메탄자화균을 가스 발효하여 메탄과 이산화탄소로부터 식품 및 사료 소재인 라이신과 바이오나일론의 단량체인 카다베린을 생합성하는 기술을 최초로 개발하였다.
 ○ 연구팀은 메탄으로부터 라이신 아미노산을 생합성하기 위하여, Methylo sinus trichosporium OB3b의 게놈 수준 대사모델을 구축하고, 인실리코 시뮬레이션을 통하여 얻은 예측 결과를 라이신 생산용 메탄자화균 개량에 접목하였다.
※ 인실리코 시뮬레이션 : 미생물 내에서 일어나는 생화학 반응들을 컴퓨터로 모사 가능한 가상세포를 이용하여 결과를 예측하는 기법
 ○ 유형 II 메탄자화균은 메탄뿐 아니라 이산화탄소를 동화시킬 수 있는 능력이 있어, 이산화탄소 동화 효율을 높일 수 있는 효소를 도입하여 라이신 생산성을 향상시켰다. 마지막으로, 라이신 생산용 메탄자화균에 라이신 탈탄산효소를 도입하여 메탄으로부터 카다베린을 성공적으로 생산하였다.

 

 

3. 연구성과/기대효과
 ○ 기존 라이신 생산 공정은 식량자원인 포도당을 탄소원으로 사용한다. 본 기술은 가격이 낮은 폐가스자원인 메탄을 사용하는 기술이며, 온실가스인 메탄을 고부가가치 물질로 전환하여 제거함으로써 기후변화 대응에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
 ○ 저가의 천연가스, 셰일가스, 바이오가스 또는 온실가스인 메탄을 이용한 바이오나일론 제조에 사용되는 모노머의 생산은 기존 석유 화학 기반의 나일론 산업의 지속가능한 대안으로 고려될 수 있다.

 


 

󰊱 연구 이야기 

 
<작성 : 경희대학교 이은열 교수>
 
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
메탄은 온실가스이기도 하지만, 셰일가스, 천연가스, 바이오가스의 주성분으로 저가의 매력적인 탄소자원이다. 미국을 중심으로 셰일자원의 개발로 석유 중심에서 가스 중심으로 산업구조의 변화 가능성을 보여주고 있다. 기존 메탄의 이용은 대부분 연소를 통하여 에너지를 회수하는데 제한적으로 활용되어 왔다.
본 연구팀은 메탄의 고부가가치화를 위해 메탄자화균을 바이오촉매로 활용하여 산업적으로 유용한 고부가가치 유용산물 생산 연구를 시작하였다. 초창기 연구는 야생형 메탄자화균을 이용한 메탄으로부터 메탄올 생산을 통해 메탄자화균에 대한 기본 특성을 이해하고 배양 노하우를 습득하였다. 2015년 9월, 과학기술정보통신부·한국연구재단의 ‘C1 가스리파이너리 사업’이 출범하면서 연구비를 지원받아 본격적으로 ‘메탄자화균 플랫폼 개발 및 메탄자화균의 대사공학적 개량을 통한 메탄 유래 화학물질 및 바이오 연료 생산’에 매진하였다
 
 
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
‘C1 가스리파이너리 사업단’이 처음 출범했을 당시, 국내에는 메탄자화균을 연구하는 연구진이 극소수였으며, 메탄자화균의 유전자 조작 노하우를 가지고 있는 그룹은 전무하였다. 특정 고부가가치 물질을 만드는 메탄자화균을 개량하기 위해서는 외래 유전자를 도입하기 위한 벡터 시스템, 벡터시스템을 세포 내로 도입하기 위한 형질전환법, 합성생물학 도구(리보좀 바인딩 사이트, 프로모터) 등 모든 것을 스스로 찾아야 했고, 기본적인 툴을 갖추는데 2년 이상의 시간이 걸렸다. 이러한 경험을 바탕으로 메탄자화균 균주 개량 및 응용 분야에서 독보적인 노하우를 축적할 수 있었다.
 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
메탄자화균은 유형 I과 II로 나뉜다. 유형 I 메탄자화균을 모델균주로 이용하여 몇몇 화학물질을 생산한 연구결과는 있으나, 현재 유형 II 메탄자화균의 대사공학적 개량은 본 연구팀에 의해서만 보고되었다. 본 연구는 메탄 뿐 아니라 이산화탄소도 같이 동화할 수 있는 유형 II 메탄자화균의 대사경로를 개량하여, 메탄과 이산화탄소를 식품 및 바이오나일론 소재 생산을 위한 자원으로 사용할 수 있음을 처음 보고한 사례로서 의미가 크다.
 
 
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
메탄자화균의 생물학적 전환을 통한 메탄 유래 고부가가치 산물 생산은 향후 효율적인 온실가스 대응 전략으로 활용될 수 있으므로, 다양한 고부가가치 물질 생산용 메탄자화균 셀 팩토리(Cell Factory)를 계속적으로 개발할 계획이다. 특히, 최근 사회적 문제로 대두되고 있는 석유 기반의 플라스틱 문제를 해결하기 위한 새로운 대안으로 메탄 유래 생분해성 플라스틱 소재 개발도 진행 중이다.

 

 

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.

 

관련기사
연구성과 온실가스 메탄을 작물생장 돕는 호르몬으로 2021-10-13
국내뉴스 온실가스 메탄을 작물생장 돕는 호르몬으로 만든다 2021-10-12
국내뉴스 온실가스인 메탄과 에탄·프로판을 동시에 분해…미생물 발견 2021-07-16
국내뉴스 메탄 · 염화비닐 분해하는 메탄자화균 발견 2021-04-07
산업동향 바이오플라스틱 산업의 현황과 과제 2020-12-28
부처별정책 바이오플라스틱 개발·보급에 박차를 가한다 2020-12-03
국내뉴스 바이오플라스틱 분해 촉진하는 곰팡이 발견…균주 특허 출원 2020-10-07
국내뉴스 온실가스 주범 메탄에서... 식품소재·바이오플라스틱 원료 생산한다 2020-09-10
BioINpro 친환경 바이오플라스틱 개발동향 및 시사점 2020-09-02
산업동향 바이오플라스틱 시장동향 [BIO ECONOMY BRIEF] 2020-07-09