▲ 미생물 기반 루테인 생산 플랫폼 모식도(그림=KAIST)  © 특허뉴스

노안 및 백내장 예방에 탁월한 효과가 있는 눈 건강 기능성 성분 루테인을 이제 미생물이 안전하고 효율적으로 대량 생산할 수 있게 됐다. KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 시스템 대사공학 기술을 활용, 식품 및 의약 산업에 직접 적용 가능한 안전균주인 '코리네박테리움 글루타미쿰'을 이용해 고효율 루테인 생산에 성공했다고 13일 밝혔다. 이는 기존 식물이나 미세조류에서 추출하는 방식보다 훨씬 빠르고 효율적인 생산법으로, 산업적 파급력이 클 것으로 기대된다.

루테인은 2022년 KAIST 연구진이 대장균을 통해 세계 최초로 생산에 성공한 바 있지만, 대장균의 내독소 문제가 해결해야 할 과제로 남아있었다. 이번 연구는 이 문제점을 극복하고, 동시에 대량 생산이 가능한 친환경적이고 고효율적인 미생물 대사공학 기반 플랫폼을 새롭게 개발함으로써 실용성과 안전성을 획기적으로 향상시켰다. 연구팀은 이번 기술을 이상엽 특훈교원의 교원창업기업인 ㈜실리코바이오를 통해 사업화할 예정이다.

기존 미생물 대사공학을 이용한 루테인 생산 연구에서는 부산물 생성이 많고 루테인 축적량이 제한되는 한계가 있었다. 이는 루테인 합성 대사경로에 특정 병목 단계가 존재했기 때문이다. 연구팀은 이 병목을 해결하기 위해 '전자 채널링(electron channeling)' 전략을 도입했다. 루테인을 만드는 데 필요한 효소들을 최적화된 단백질 구조(스캐폴드) 시스템에 가깝게 배열하여 효소 주변 기질과 전자의 농도를 높임으로써 루테인 합성 대사 흐름을 효과적으로 증대시켰다.

또한, 연구팀은 설탕처럼 흔한 포도당을 활용하여 고효율로 루테인을 생산할 수 있는 미생물 플랫폼을 구축했다. 이는 바이오매스의 주 원료인 포도당으로부터 친환경적인 바이오 기반 루테인 생산 가능성을 제시하는 중요한 성과로 평가된다.

결론적으로, 연구팀은 시스템 대사공학 기술과 단백질 간 입체적 거리 제어를 포함한 효소 재배열 전략을 병행하여, 54시간 만에 1.78 g/L의 루테인을 생산하는 데 성공했다. 이는 시간당 32.88 mg/L의 생산성에 해당하며, 기존 방식보다 훨씬 빠르고 효율적인 생산 방법으로 산업적으로 큰 의미를 가진다.

특히 이번 연구에서 산업적 활용도가 높고 안전균주(GRAS)로 분류되는 '코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)'을 새로운 생산 호스트로 활용한 점이 주목할 만하다. 이 안전균주를 기반으로 루테인 생합성 경로를 최적화하고, 전자전달 병목을 해결하기 위해 막결합형 P450 효소의 개량 및 전자 채널링 스캐폴드 시스템을 도입하여 생산성을 획기적으로 향상시켰다.

연구를 주도한 은현민 박사과정생은 "이번 연구는 미생물 기반 루테인 생산의 병목을 해소하고 산업적으로 경쟁력 있는 친환경 공정을 확립한 사례"라며, "향후 루테인을 포함한 다양한 천연물 생산 기술의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이상엽 특훈교수는 "미생물을 활용한 대사공학 기술은 기존의 식물 기반 및 화학합성 방식을 뛰어넘는 차세대 전략으로 부상하고 있다"며, "앞으로도 고부가가치 천연물의 효율적 생산을 위한 연구를 지속하겠다"고 밝혔다.

이번 연구 결과는 생명화학공학과 은현민 박사과정생과 신디 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 국제 학술지 '네이처 신시시스(Nature Synthesis)'에 7월 게재되었다.

논문명은 Gram-per-litre scale production of lutein by engineered Corynebacterium이다.