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왼쪽부터 울산과학기술원(UNIST) 김동혁 에너지화학공학과 교수, 우지훈 연구원.UNIST 제공

아세트산을 더 잘 ‘소화’하는 대장균만 살아남도록 유도해 생산 능력을 끌어올리는 진화 기술이 개발됐다. 이렇게 얻은 대장균은 아세트산을 친환경 접착제·플라스틱 원료인 이타콘산으로 바꿔내는 능력이 1.7배 뛰어났다. 대장균을 '세포 공장'처럼 돌려 화학 원료를 안정적으로 생산할 수 있는 길이 열린 것으로 평가된다.

울산과학기술원(UNIST)은 김동혁 에너지화학공학과 교수 연구팀이 정규열 포스텍 교수팀과 함께 아세트산을 이타콘산으로 대사하는 능력이 평균 1.7배 향상된 대장균주를 개발했다고 18일 밝혔다.

이타콘산은 생분해 플라스틱, 의료용 접착제 등에 쓰이는 물질이다. 다양한 화학공정으로 쉽게 확보할 수 있어 값이 저렴하다. 이산화탄소를 포집해 합성하면 탄소 감축 효과까지 기대할 수 있다. 문제는 균이 아세트산을 잘 소화하지 못한다는 점이다. 독성과 대사 부담 탓에 잘 자라지 못하고 이타콘산 생산성도 크게 떨어진다.

연구팀은 이타콘산을 많이 만들면서 생존력이 높은 대장균을 진화시켰다. 이타콘산 농도에 따라 항생제 저항 유전자의 발현량이 달라지도록 설계된 바이오센서를 대장균에 삽입했다. 항생제 농도를 점차 높이며 배양을 반복해 이타콘산을 많이 생산하는 대장균만 살아남게 했다.

약 50세대에 걸친 배양을 통해 실험실 진화를 유도한 결과 기존보다 이타콘산 생산량과 분열 속도가 각각 1.7배 향상된 균주를 확보했다.

어떤 유전적 진화가 생장과 생산성 향상을 이끌었는지 확인하기 위해 전체 유전체(DNA)와 전사체(RNA)를 분석했다. 그 결과 진화한 대장균은 약 3만1000개의 염기쌍에 해당하는 유전체가 통째로 사라졌다. 진화한 대장균 안에 포함된 유전자 2개의 결실이 아세트산 대사와 생장 효율 향상의 원인으로 지목됐다. 유전자 결실은 대장균의 생리 상태를 바꿔 스트레스 환경에서 나타나는 ‘긴축 반응’을 유도하는 것으로 나타났다.

연구팀은 “긴축 반응은 일반적으로 세포의 생장을 억제하고 자원 소모를 줄이는 기작으로 교과서에 소개되지만 이번 연구에서는 아세트산 대사를 효율화해 오히려 생장과 생산성을 함께 높이는 반전 효과를 보인 것”이라고 설명했다. 

연구를 이끈 김동혁 교수는 “진화 기반의 분석 방법론을 통해 미생물의 생리 반응을 재해석하고 기존에는 단점으로 여겨졌던 요소를 장점으로 바꾸는 실마리를 얻었다”며 “화석연료 고갈 이후를 대비할 수 있는 지속 가능한 화학소재 생산 기술 개발에 도움이 될 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘생물자원공학’에 1일 게재됐다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1016/j.biortech.2025.132326

[박정연 기자 hesse@donga.com]

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