울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과는 아세트산을 더 효율적으로 소화하는 대장균을 만드는 진화 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 이 방식으로 얻은 대장균은 아세트산을 친환경 접착제·플라스틱 원료인 이타콘산으로 전환하는 능력이 1.7배 향상됐다.

김동혁 교수팀은 POSTECH 정규열 교수팀, 한국화학연구원 노명현 박사와 공동으로 아세트산을 이타콘산으로 대사하는 능력이 평균 1.7배 개선된 대장균주를 개발했다.

이타콘산은 생분해 플라스틱과 의료용 접착제 등에 활용되는 물질로, 현재는 곰팡이로 전분을 발효해 생산하는 방식이 일반적이다. 하지만 이 방법은 식량 자원을 소모하고 생산 비용이 많이 든다는 단점이 있다.

아세트산은 다양한 화학공정으로 쉽게 확보할 수 있어 값이 싸고, 이산화탄소를 포집해 합성하면 탄소 감축 효과까지 기대할 수 있다. 그러나 균이 아세트산을 잘 소화하지 못해 독성과 대사 부담으로 성장이 저해되고 이타콘산 생산성이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이타콘산을 많이 생산할수록 살아남는 조건을 설정해 대장균을 진화시켰다. 이타콘산 농도에 따라 항생제 저항 유전자의 발현량이 달라지도록 설계된 바이오센서를 대장균에 삽입하고, 항생제 농도를 점차 높이며 배양을 반복했다.

약 50세대에 걸친 실험실 진화를 통해 기존보다 이타콘산 생산량과 분열 속도가 각각 1.7배 향상된 균주를 확보했다. 전체 유전체와 전사체 분석 결과, 진화한 대장균은 약 3만1000개의 염기쌍에 해당하는 유전체가 통째로 사라져 있었으며 그 안에 포함된 유전자 2개의 결실이 개선 원인으로 확인됐다.

이 유전자 결실은 대장균의 생리 상태를 바꿔 스트레스 환경에서 나타나는 '긴축 반응'을 유도하는 것으로 나타났다. 일반적으로 세포 생장을 억제하는 것으로 알려진 긴축 반응이 이번 연구에서는 아세트산 대사를 효율화해 오히려 생장과 생산성을 함께 높이는 반전 효과를 보였다.

우지훈 제1저자는 "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.

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 밝혔다.

이번 연구는 과학 기술정보통신부 한국연구재단과 해양수산부 해양수산과학 기술진흥원의 지원으로 수행됐으며 국제학술지 생물자원공학에 6월 1일 게재됐다.