온실가스 메탄을 산업 자원으로, 바이오파운드리 기술로 실현

- 자동화 기반 실험 속도와 스케일 향상으로 산업효소의 반응 효율 및 열 안정성을 개선하여 산업 적용성 확보

- 온실가스 메탄을 친환경 바이오소재 이소프렌으로 전환하여 친환경 소재 생산 가능성 제시

□ 바이오파운드리는 많은 생물학적 데이터를 빠르고 쉽게 모으게 해주며, 이를 AI와 연결하는 혁신 기술로 발전하고 있다.

ㅇ 즉, 설계-제작-시험-학습(Design–Build–Test–Learn, DBTL) 사이클을 반복하며 데이터를 모으고, AI로 분석해 더 나은 실험 방법과 유전자 설계를 제시함으로써, 신소재나 의약품, 친환경 화학물질 같은 바이오제품 개발을 효율적으로 진행할 수 있다.

□ 한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 국가바이오파운드리사업단 이승구 박사 연구팀은 산업적 활용이 가능한 바이오파운드리 자동화 실험 체계(워크플로)를 구축하고, 이를 통해 메탄을 친환경 바이오소재로 전환하는 가능성을 실증하는 데 성공했다고 밝혔다.

ㅇ 메탄은 대기 중 농도가 빠르게 증가하고 있는 대표적인 온실가스다. 이산화탄소보다 84배 이상 강력한 온실효과를 일으키지만, 이를 줄일 수 있는 자연적 흡수 경로는 매우 제한적이다.

ㅇ 이번 성과는 친환경 바이오소재 생산을 위한 바이오촉매와 인공미생물 개발 기간을 단축하고, 축적된 데이터를 AI 설계·분석에 활용할 수 있다는 점에서 의미가 크다.

□ 연구팀은 먼저 확장형 반자동화 워크플로를 구축했다. 이 시스템은 레고 블록처럼 필요에 따라 간단하면서도 유연하게 수천 건 이상의 대규모 실험으로도 확장할 수 있다.

ㅇ 또한, 단백질 설계 기술과 자동화 기술을 결합해 수백 종의 단백질 변이체를 빠르게 제작하고 평가하는 방법도 개발했다.

ㅇ 샘플 준비부터 유전자 조립, 미생물 도입 등 핵심 과정을 자동화 장비로 처리한 결과, 실험 속도가 단계에 따라 최소 4배에서 36배까지 빨라졌다. 같은 시간에 수행할 수 있는 실험 건수도 대폭 늘어나 연구 효율성이 획기적으로 향상됐다.

□ 특히, 이번 연구는 이소프렌 합성 효소(IspS) 개선에 적용됐다. 이소프렌은 타이어, 접착제, 연료첨가제 등 전 세계 산업에서 널리 쓰이는 핵심 원료다. 그러나, 기존의 효소는 제대로 발현되지 않거나 활성이 낮아 산업적으로 활용하기에 큰 제약이 있었다.

ㅇ 연구팀은 바이오파운드리 워크플로를 활용해 효소의 성능을 대폭 향상시켰다. 그 결과, 효소의 반응 효율이 최대 4.5배 높아지고 열에 대한 안정성도 향상되었다.

ㅇ 이렇게 개량된 효소를 메탄자화균에 도입하자 온실가스 메탄을 이소프렌으로 바꾸는 생산성이 크게 향상되었다. 이는 ‘온실가스 저감’과 ‘화학원료 자급’이라는 두 가지 산업적 과제를 동시에 해결할 수 있는 실질적인 기술 해법으로 평가된다.

□ 이번 성과는 미국 에너지부(DoE) 산하 대표적 공공 바이오파운드리인 Agile BioFoundry와의 긴밀한 협력을 통해 진행됐다. Agile BioFoundry는 선도적인 자동화 기술과 데이터 분석 역량을 보유한 기관으로, 이번 공동연구는 한국이 글로벌 바이오파운드리 네트워크에서 중요한 위치를 차지하고 있음을 보여준다.

□ 연구책임자인 이승구 박사는 “계산 설계, 자동화 실험, 대규모 데이터 검증을 하나로 통합한 확장형 워크플로를 제시했다는 점에서 이번 연구의 의미가 크다”라며, “앞으로 축적될 고품질 데이터는 AI 설계와 학습을 더욱 정밀하게 만들어 바이오제조의 디지털 전환을 가속할 것이다”고 밝혔다.

□ 공동교신저자 이혜원 박사 역시 “바이오파운드리 기술을 통해 메탄 자원 기반의 친환경 소재 생산 등 글로벌 현안 해결에 새로운 기술적 돌파구를 마련할 수 있을 것으로 기대된다”고 강조했다.

□ 한편 이번 연구성과는 세계적인 과학 저널인 Trends in Biotechnology (IF 14.9)에 9월 12일 (온라인) 게재되었으며, (논문명 : Semi-automated biofoundry workflows for sequence coevolution-guided isoprene synthase engineering / 교신저자 : 생명연 이승구‧이혜원‧김하성 박사 / 제1저자 : Georgii Emelianov)

ㅇ 이번 연구는 과기정통부 바이오‧의료기술개발사업, 석유대체친환경화학기술개발사업, 개인기초연구사업, 생명연 주요사업 지원으로 수행되었다.

그림1. 효율적인 바이오촉매 개발을 위한 바이오파운드리 워크플로 구축-1

바이오파운드리 기반의 설계(Design)–제작(Build)–시험(Test)–학습(Learn) 과정을 통해 고효율 바이오촉매를 개발하는 프로세스. 변이 라이브러리를 설계한 뒤,

자동화 로봇으로 유전자를 제작해 대장균에 도입하고, 해당 유전자의 서열을 분석한다.

이후 발현된 효소를 통해 전환 반응에서 생성된 목표 산물을 측정하며, 학습 단계에서는 축적된 데이터를 분석하여 다음 설계 단계에 반영한다.

그림2. 효율적인 바이오촉매 개발을 위한 바이오파운드리 워크플로 구축-2

그림1보다 좀 더 세부적인 체계도로 이오파운드리 기반의 설계(Design)–제작(Build)–시험(Test)–학습(Learn) 과정을 통해 고효율 바이오촉매를 개발하는 프로세스.

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