시스템 대사공학 연구동향 및 전망

한국과학기술원 생명화학공학과 양동수, 이영준, 김지용, 이상엽 특훈교수

1. 개요
기후변화는 우리의 삶과 매우 밀접하게 관련되어 있으며, 국제 사회를 위협하는 가장 중요한 문제 중 하나로, 이를 해결하기 위한 최우선적인 관심과 조치가 필요하다. 석유와 천연가스를 비롯한 화석 연료의 과소비가 기후 변화의 가장 큰 원인으로 손꼽히고 있는 가운데, 미생물 세포 공장을 이용해 재생 가능한 비식용 바이오매스로부터 기존의 석유화학 제품을 생산하려는 노력이 계속되고 있다. 이론적으로 미생물은 자신의 대사 네트워크에 존재하는 모든 대사 화합물을 생산할 수 있으나, 대부분의 야생형 미생물 균주는 이러한 화합물을 생산하는 효율이 낮아 바이오리파이너리 공정에 활용하는 데에 한계가 있다. 1990년대 초에 등장한 대사공학은 미생물을 이용해 원하는 표적 화합물을 생산하는 공정에서 생산량 (titer)과 생산 수율 (yield), 생산성 (productivity) 모두를 향상시키는 것을 가능하게 하였다. 대사공학을 통해 다양한 화합물을 생산하고, 산업적으로 경쟁력 있는 공정을 가능케 할 균주를 개발하기 위해 보다 효과적인 대사공학 전략들이 개발되고 있다.

대사공학이 주목받기 시작한 이래 지난 30여 년 동안 대사공학적 전략을 통해 산업적, 경제적 가치가 높은 화합물과 연료, 의약품을 등을 생산하는 다양한 미생물 균주가 꾸준히 개발되어왔다. 하지만 이 중 산업화에 성공적으로 활용된 사례는 극히 드물다. 더욱이 전통적인 대사공학 기법을 이용해 산업용 균주를 개발하고 실제 제품의 산업화를 달성하기 위해서는 50–300 인년 (人年; person-year)에 육박하는 시간과 노력이 필요할 뿐만 아니라 수억 달러에 육박하는 매우 큰 투자가 필요하다. 또한 실질적으로 균주 개발 과정 초기부터 산업 공정 전체를 고려해 균주 개발을 설계하기가 어렵다. 따라서 대부분의 경우 개발한 균주를 산업 공정에 시험 적용하고, 문제가 발생하면 이를 개선하기 위해 추가적으로 균주를 개량하는 과정을 반복하게 된다. 이에 따라 발생하는 비용이 전체 산업화 비용의 상당 부분을 차지하고 있는 실정이다. 또한 신규 균주 개발을 통해 고부가가치 화합물을 생산하려는 생명공학 및 화학기업들이 최첨단 대사공학기술을 적절한 시기에 개발하지 못하는 경우가 많기 때문에 대학에서의 대사공학 원천기술 개발은 장기적으로 우리나라가 바이오리파이너리 기반 산업에서 주도적인 역할을 하는 데에 매우 중요하다.