합성생물학을 활용한 천연 색소 및 유도체 생산 기술 동향

◈ 목차

⑴ 서론
⑵ 천연 색소의 분류와 특성
⑶ 합성생물학 기반 천연 색소의 비천연 유도체 색소의 효율적 생산을 위한 전략
⑷ 결론 및 향후 전망

◈본문

• 1.서론

 색소(colorant)는 물질에 특정한 색을 부여하여 인간의 시각적 인지와 감성적 반응을 유도하는 핵심 소재이다. 색은 단순한 미적 기능을 넘어 교통 신호와 같은 사회적 규범 전 달, 브랜드 정체성 형성, 소비자 구매 행동에까지 직접적인 영향을 미친다. 이러한 이유로 색소는 산업 전반에서 전략적으로 활용되고 있으며, 우리 생활에서 필수적으로 활용되 고 있는 대표 물질군이다(Kim et al., ACS Synthetic Biology, 2025). 섬유·의류 산업에 서는 염료로, 식품 분야에서는 소비자의 신선도와 안전성 인식에 기여하는 첨가물로 사 용된다. 화장품에서는 미적 효과와 더불어 항산화, 항균과 같은 기능성이 강조되고 있으 며, 의약품에서는 복용 순응도 향상과 오남용 방지에 기여한다(Kesselheim et al., JAMA Internal Medicine, 2013). 또한 플라스틱·페인트·잉크 등 소재 산업에서는 내열성, 내광 성과 같은 물리화학적 안정성 확보에도 중요한 역할을 한다. 따라서 색소는 단순한 색 부 여 기능을 넘어, 산업과 학문 전반에서 기능성 고부가가치 소재로 진화하고 있다.

 색소는 크게 합성색소와 천연색소로 구분되는데, 이중 천연색소는 식물, 미생물, 동물 등 자연 유래 자원에서 추출되거나 이들의 생합성 경로를 활용해 생산되는 물질로, 식품· 화장품·의약품·섬유·플라스틱 등 다양한 산업 전반에서 사용되고 있다(Tang et al., Plant Biotechnology Journal, 2024). 석유화합물로부터 화학 합성을 통해 생산되는 합성색소 의 값싼 공정 개발로 인해 현대사회에서 천연색소의 활용도는 낮아졌지만, 최근 합성색소 의 잠재적 위해성과 환경적 지속가능성 문제에 대한 우려가 높아지면서, 천연색소는 단순 한 대체재를 넘어 건강·환경·산업적 가치가 결합된 고부가가치 소재로 주목받고 있다.

 합성색소는 석유화합물 원재료를 기반으로 생산되며, 대량 생산과 저비용 공정, 안정 적인 색 구현을 이유로 식품, 섬유, 화장품 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되어 왔 다. 그러나 일부 합성색소 성분이 알레르기 반응, 소화기계 이상, 심지어 발암 가능성과 같은 건강 위해성을 유발할 수 있다는 연구 결과가 지속적으로 보고되고 있다(Vojdani et al., Alternative Therapies in Health and Medicine, 2015). 또한, 합성색소 제조 과 정에서는 유기용매와 고농도의 화학약품이 사용되며, United Nations Environment Programme (UNEP) 보고서에 의하면 전체 산업용 폐수의 20% 가량이 직물 염색에 의 한 것으로 드러나는 만큼, 이로 인해 발생하는 유해 폐수와 부산물은 수질오염의 주요 원 인으로 지적된다. 실제로 호주, 일본 등 일부 국가는 특정 합성색소의 식품 사용을 전면 금 지하거나 엄격히 제한하고 있다(Badria et al., IntechOpen, 2020). 이처럼 인체 안전성과 환경적 지속가능성 모두에서 한계가 드러나면서, 합성색소는 규제 강화와 함께 성장세 가 둔화되는 추세다.

 최근 소비자들의 건강·웰빙에 대한 인식이 강화되면서 자연 유래 천연색소를 선호하는 경향이 두드러지고 있다. 실제로 안토시아닌(anthocyanin), 카로티노이드(carotenoid), 베타레인(betalaine) 등 주요 천연색소는 항산화·항균 활성, 항염 효과 등 다양한 생리활 성이 보고되었으며, 기능성 식품과 화장품 분야에서 수요 확대의 주요 근거로 작용한다 (Tuli et al., Journal of Food Science and Technology, 2014). 나아가 건강 증진 성분 이라는 인식이 확산되면서, 천연색소는 단순한 색 부여를 넘어 기능성 원료로서의 가치를 확보하고 있다. 실제로 많은 글로벌 식품 회사(Heinz, Kellogg, Nestle 등)는 향후 수년 내 모든 합성색소를 천연색소로 전환하겠다고 선언하였고, 로레알, 샤넬 등 화장품 회사 역 시 천연색소로의 전환을 약속하였다.

 다만 천연색소 역시 산업적 활용에는 여러 제약이 존재한다. 우선 대부분의 천연색소는 열, pH, 광에 대해 불안정하여 가공 및 저장 과정에서 변색이나 활성이 저하되기 쉽다(He et al., Annual Review of Food Science and Technology, 2010). 또한, 자연 자원에서 추출 가능한 색상 스펙트럼이 제한적이며, 추출 수율이 낮고 공정 비용이 높다는 점 역시 상용화를 저해하는 요인이다. 예를 들어, 안토시아닌은 건강 기능성이 높음에도 불구하고 낮은 안정성으로 인해 장기 저장이 어렵고, 카로티노이드 역시 광분해에 취약해 식품 가 공 공정에서 색상 유지가 어렵다. 이러한 한계는 천연색소가 합성색소를 완전히 대체하기 어렵게 만드는 구조적 문제로 작용한다.

 최근 글로벌 천연색소 시장은 식품·화장품·의약품 산업을 중심으로 빠르게 확대되고 있 으며, 연평균 9.67%의 성장률이 전망된다(Maximize Market Research, 2024). 식품 분 야에서는 합성색소의 안전성 논란으로 인해 유럽연합(EU), 미국, 일본 등 주요 규제 기관 이 관리 기준을 강화하면서 천연 대체재로의 전환이 가속화되고 있다. 최근에는 한국, 중 국을 중심으로 건강 친화적 소비 전환이 빠르게 이루어지고 있다. 이는 향후 천연색소 산 업의 주요 성장 축이 선진국 규제 중심에서 글로벌 보편적 수요 확대로 옮겨가고 있음을 의미한다. 더불어, 산업계에서는 시장 성장성을 기회로 보고 대체 원료 탐색, 안정성 개선, 원가 절감을 위한 공정 최적화에 집중하고 있으며, 이러한 흐름은 천연색소를 단순한 틈 새시장 소재가 아닌 주류 산업 소재로 자리매김하게 하고 있다. 합성생물학은 이러한 고부가가치 천연색소를 고효율로 생산할 수 있는 미생물 세포 공장을 설계 및 개발하는데 핵심이 되는 기술로써, 이를 활용하여 기존 천연색소 산업의 문제를 획기적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다(Benner et al., Nature Reviews Genetics, 2005). 특히, 미생물 내 대사회로를 최적화하는 대사공학과 함께 활용됨으로 써, 미생물 세포공장으로부터 생산되는 표적 천연색소의 수율(yield), 생산속도(rate), 최 종 농도(titer)를 극대화할 수 있는 전략을 제공한다. 경로 엔지니어링, 대사 플럭스 조 절, 조절 인자 최적화, 효소의 유도 진화(directed evolution)와 같은 기술을 활용하면 기존 천연색소의 낮은 안정성과 고비용 문제를 극복할 수 있다. 더 나아가, 합성생물학 은 자연계에 존재하지 않는 비천연 유도체(non-natural derivatives)까지 생산할 수 있 어, 새로운 색상 스펙트럼을 창출하고 안정성을 개선하는 혁신적 가능성을 제공한다 (Furubayashi et al., Nature Communications, 2015). 따라서 향후 색소 산업은 단순 한 천연 대체재 활용을 넘어, 합성생물학 기반의 생산 플랫폼을 중심으로 구조적 전환을 맞이할 것으로 전망된다.

• 2.천연 색소의 분류와 특성

  천연 색소는 화학적 구조와 생합성 경로에 따라 크게 여섯 가지로 분류되며, 각 계열은 특유의 색상, 안정성, 기능성을 지닌다 (그림 1). 또한, 합성생물학을 통해 미생물에서 다양 한 천연 색소를 생산한 사례가 점차 확대되고 있다.

 플라보노이드(Flavonoid) 계열 색소는 식물에 널리 분포하는 폴리페놀 화합물로, 안토시아닌(anthocyanin)이 대표적이다. 안토시아닌에는 cyanidin 3-O-glucoside, pelargonidin 3-O-glucoside, delphinidin 3-O-glucoside 등이 존재하며, 적색에서 보 라색까지 다양한 색을 띤다. 또한, 항산화·항염 활성이 보고되어 건강 기능성 소재로 주목 받고 있다. 그러나 pH, 광, 온도 등 환경 요인에 불안정하다는 한계도 존재한다. 따라서, 미 생물에서의 효율적인 안토시아닌 생산을 위해, 배양 조건 등을 최적화하여 안토시아닌의 안정성을 유지하는 것이 중요하며 다음 장에서 논의할 전략들을 통해 안정성이 증가된 안 토시아닌을 개발하는 것 또한 중요한 방법이 될 수 있다. 이외에도, 안토시아닌 생산의 주 요 보조 인자인 uridine diphosphate glucose 공급의 증가(Shrestha et al., Microbial Cell Factories, 2019), 생산 경로를 여러 균주로 나누어 공동 배양(co-culture)하는 생산 모듈화 전략 등을 활용하여 안토시아닌 생산을 증가시킨 연구 사례들도 있다(Jones et al., mBio, 2017).

 카로티노이드(Carotenoid) 계열 색소는 광합성에 중요한 역할을 하는 지용성 테르페노 이드(terpenoid) 색소로, β-carotene, lycopene, astaxanthin 등이 대표적이다. 황색에 서 적색 계열의 색을 띠며, 항산화 활성을 비롯해 비타민 A 전구체로서의 영양학적 가치가 크다. 미생물을 통한 생산에서는 MEP/MVA 경로를 활용해 IPP·DMAPP 전구체 공급을 증 대시키는 방식이 일반적이며, Yarrowia lipolytica나 Corynebacterium glutamicum과 같은 비전통적 숙주에서도 고수율 생산이 보고되었다. 특히, 소수성 물질의 생산을 극대 화할 수 있는 기름 친화적(oleaginous) 효모 균주인 Y. lipolytica에서 β-carotene이 7.6 g/L 수준으로 생산된 사례도 있다(Liu et al., ACS Synthetic Biology, 2021).

 알칼로이드(Alkaloid) 계열 색소는 indigo, violacein, betalain 등이 속하며 질소 원자 를 포함하는 것이 특징이다. 강렬한 청색 또는 적색 계열의 색상을 띠며, 직물 염색 및 기 능성 소재로 활용도가 높다. 대장균에서 TCA cycle로의 탄소 유입을 증가시키고, 부산 물을 최소화하여 indigoidine을 49 g/L 이상 생산한 사례가 있다(Ghiffary et al., ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 2021). 또한, betalain 합성을 위해 L-DOPA 경로와 DOD (DOPA 4,5-dioxygenase) 효소를 도입하는 전략도 활용되었다(Grewal et al., Metabolic Engineering, 2018). 이처럼 생합성 효소를 개량하거나 새로 도입하여 새 로운 색소를 개발하는 연구들이 계속되고 있다.

 폴리케타이드(Polyketide) 계열 색소는 polyketide synthase (PKS) 효소에 의해 합성 되는 복잡한 구조의 2차 대사산물로, 카민산(carminic acid)과 같은 붉은색 색소가 대표 적이다. 화장품 및 식품 첨가물로 활용 가능성이 있으나, 자연계 생산량이 극히 낮아 합성 생물학을 통한 생산이 필수적이다. 실제로 대장균에서 이종 PKS 시스템을 도입해 카르민 산을 생산한 사례가 있으며(Yang et al., Journal of the American Chemical Society, 2021), 전구체인 malonyl-CoA 공급 최적화와 PKS 모듈 교체를 통한 다양한 구조의 폴 리케타이드 색소를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

 기타 계열 색소로는 남세균과 조류에서 유래한 phycobiliprotein 등의 단백질 색소 가 있으며, 이들은 강한 형광 신호와 높은 수용성을 가져 바이오이미징, 진단, 센서용 소 재로 활용될 수 있다. 이외에도, 항균 및 면역 조절 활성이 보고된 prodigiosin(빨간색)과 pyocyanin(파란색) 등의 색소들도 미생물에서 생산이 보고되었다.

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