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미생물 이용한 플라스틱 환경오염 문제 해결 다가가
여러 친환경 고분자 중에서도 폴리하이드록시알카노에이트(이하 PHA)는 생분해성과 생체 적합성이 뛰어나 토양이나 해양 환경에서도 생분해되며, 식품 포장재나 의료용품 등에 사용되고 있다. 하지만 지금까지 생산된 천연 PHA(natural PHA)는 내구성, 열적 안정성 등 다양한 물성을 충족시키기 어렵고, 생산 농도가 낮아 상업적으로 활용하는 데 한계가 있었다. 우리 대학 연구진이 플라스틱으로 인한 환경오염 문제 해결에 중요한 기술을 개발해 화제다.
우리 대학 생명화학공학과 이영준 박사와 강민주 석사과정생을 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 `방향족 폴리에스터*를 고효율로 생산하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 26일 밝혔다.
*방향족 폴리에스터: 방향족 화합물(벤젠과 같은 특별한 형태의 탄소 고리 구조)을 포함하고 에스터 결합을 가지고 있는 고분자
이번 연구에서는 대사공학을 이용해 대장균 내 방향족 단량체인 페닐 젖산(phenyllactate, PhLA) 생합성 회로의 대사 흐름을 강화하고 대사 회로를 조작해 세포 내부에 축적된 고분자의 분율을 높였으며, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 PHA 합성 효소의 구조를 예측하고 구조와 기능의 상관관계를 바탕으로 효소를 개량했다.
연구팀은 이후 발효 최적화를 통해 세계 최고 농도(12.3±0.1 g/L)로 폴리(PhLA)를 고효율로 생산하고 30L 규모의 유가식 발효로 성공적으로 폴리에스터를 생산해 산업화 수준 생산의 가능성도 보였다. 생산된 방향족 폴리에스터들은 추후 약물 전달체로서의 가능성과 더불어 향상된 열적 물성, 상업화되고 개선된 기계적 물성을 보여주었다.
연구팀은 비천연 PHA 생산에서 외래 파신(phasin) 단백질*이 경제성, 효율성과 직결되는 세포 내 고분자 축적분율 증가에 중요한 역할을 한다는 것을 입증하고 PHA 합성 효소를 합리적 효소 설계 방법으로 개량했다. 효소의 삼차원 입체 구조를 호몰로지 모델링(비슷한 단백질의 구조를 바탕으로 새로운 단백질의 삼차원 입체 구조를 예측하는 방법)을 통해 예측하고, 이를 분자 도킹 시뮬레이션(단량체가 효소에 잘 결합할 수 있는지 예측하는 시뮬레이션)과 분자 동역학 시뮬레이션(분자들이 시간에 따라 어떻게 움직이고 상호작용하는지 예측하는 시뮬레이션)을 이용해 단량체의 중합 효율이 향상된 변이 효소로 개량했다.
*외래 파신 단백질: 파신은 PHA 생산과 관련된 단백질로 작은 입자(granule) 형태의 PHA 표면에서 세포질 환경과 상호작용하며 고분자 축적, granule 수 및 크기 조절 등에 관여한다. 본 연구에서는 다양한 천연 PHA 생산 미생물로부터 유래된 파신 단백질 암호화 유전자를 선별해 도입하였다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 이영준 박사는 “친환경적인 원료와 방법으로 미생물 기반의 방향족 폴리에스터를 세계 최고 농도로 생산했다는 점에 의의가 있다”며 “이 기술이 플라스틱으로 인한 환경 오염 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한 이상엽 특훈교수는 “시스템 대사공학을 이용해 유용한 고분자를 고효율로 생산하기 위해 다양한 전략을 제시한 이번 연구가 기후 변화 문제와 특히 최근 플라스틱 문제의 해결에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
해당 연구 결과는 국제 학술지인 셀(Cell) 誌가 발행하는 `생물공학 동향(Trends in Biotechnology)'에 8월 21일에 게재됐다.
※ 논문명 : Microbial production of an aromatic homopolyester
※ 저자 정보 : 이영준(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 강민주 (한국과학기술원, 공동 제1 저자), 장우대(한국과학기술원, 제2 저자), 최소영(한국과학기술원, 제3 저자), 양정은(한국과학기술원, 제4 저자), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 6명
한편 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유 대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제 (과제 책임자 KAIST 이상엽 특훈교수)와 ‘미생물 세포공장 기반 신규 방향족 바이오플라스틱의 원스텝-원팟 생산 원천기술 개발 과제 (과제 책임자 이화여대 박시재 교수)’의 지원을 받아 수행됐다.
2024.08.26
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암세포만 공략하는 스마트 면역세포 시스템 개발
우리 대학 바이오및뇌공학과 최정균 교수와 의과학대학원 박종은 교수 공동연구팀이 인공지능과 빅데이터 분석을 기반으로 스마트 면역세포를 통한 암 치료의 핵심 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 키메라 항원 수용체(Chimeric antigen receptor, CAR)가 논리회로를 통해 작동하게 함으로써 정확하게 암세포만 공략할 수 있도록 하는 차세대 면역항암 치료법으로 기대가 모아진다. 이번 연구는 분당차병원 안희정 교수와 가톨릭의대 이혜옥 교수가 공동연구로 참여했다.
최정균 교수 연구팀은 수백만개의 세포에 대한 유전자 발현 데이터베이스를 구축하고 이를 이용해 종양세포와 정상세포 간의 유전자 발현 양상 차이를 논리회로 기반으로 찾아낼 수 있는 딥러닝 알고리즘을 개발하고 검증하는 데 성공했다. 이 방법론으로 찾아진 논리회로를 장착한 CAR 면역세포는 마치 컴퓨터처럼 암과 정상 세포를 구별하여 작동함으로써 부작용없이 암세포만 정확하게 공략하는 것이 가능하다.
바이오및뇌공학과 권준하 박사, 의과학대학원 강준호 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology)'에 지난 2월 16일 출판됐다. (논문명: Single-cell mapping of combinatorial target antigens for CAR switches using logic gates)
최근의 암 연구에서 가장 많은 시도와 진전이 있었던 분야는 바로 면역항암치료이다. 암환자가 갖고 있는 면역체계를 활용하여 암을 극복하는 이 치료 분야에는 몇 가지 방법이 있는데, 면역관문억제제 및 암백신과 더불어 세포치료 또한 해당된다. 특히, 키메라 항원 수용체를 장착한 CAR-T 혹은 CAR-NK라고 하는 면역세포들은 암항원을 인식하여 암세포를 직접 파괴할 수 있다.
CAR 세포치료는 현재 혈액암에서의 성공을 시작으로 고형암으로 그 적용 범위를 넓히고자 하는 중인데, 혈액암과 달리 고형암에서는 부작용을 최소화하면서 효과적인 암 살상 능력을 보유하는 CAR 세포 개발에 어려움이 있었다. 이에 따라 최근에는 한 단계 진보된 CAR 엔지니어링 기술, 즉 AND, OR, NOT 과 같은 컴퓨터 연산 논리회로를 활용해 효과적으로 암세포를 공략할 수 있는 스마트 면역세포 개발이 활발히 진행되고 있다.
이러한 시점에서, 연구진은 세포 단위에서 정확히 암세포들에서만 발현하는 유전자들을 발굴하기 위해 대규모 암 및 정상 단일세포 데이터베이스를 구축했다. 이어서 연구진은 암세포들과 정상세포들을 가장 잘 구별할 수 있는 유전자 조합을 검색하는 인공지능 알고리즘을 개발했다. 특히 이 알고리즘은, 모든 유전자 조합에 대한 세포 단위 시뮬레이션을 통해 암세포만을 특이적으로 공략할 수 있는 논리회로를 찾아내는데 사용되었다. 이 방법론으로 찾아진 논리회로를 장착한 CAR 면역세포는 마치 컴퓨터처럼 암과 정상 세포를 구별하여 작동함으로써 부작용은 최소화하면서도 항암치료의 효과는 극대화시킬 수 있을 것으로 기대된다.
제1 저자인 권준하 박사는 "이번 연구는 이전에 시도된 적이 없는 방법론을 제시했는데, 특히 주목할 점은 수백만개의 개별 암세포 및 정상세포들에 대한 시뮬레이션을 통해 최적의 CAR 세포용 회로들을 찾아낸 과정이다ˮ라며 "인공지능과 컴퓨터 논리회로를 면역세포 엔지니어링에 적용하는 획기적인 기술로서 혈액암에서 성공적으로 사용되고 있는 CAR 세포치료가 고형암으로 확대되는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다"고 설명했다.ﾠ
이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업-차세대응용오믹스사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.03.02
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바이오경제를 이끌어가는 대사공학 30년 역사와 미래
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 지난 30년간 대사공학이 발전해온 역사를 정리해, 대사공학이 어떻게 지속 가능한 발전에 기여할 수 있는 분석한 결과를 정리하여 ‘지속 가능성과 건강을 위한 대사공학’ 논문으로 발표했다고 25일 밝혔다. 이번 논문은 셀(Cell) 誌가 발행하는 생명공학 분야 권위 리뷰 저널인 `생명공학 동향(Trends in Biotechnology)'의 40주년 특집호 온라인판에 게재됐다.
※ 논문명 : Metabolic engineering for sustainability and health
※ 저자 정보 : 김기배(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 최소영(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 조인진(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 안다희(한국과학기술원), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 5명
대사공학은 1990년대 초반부터 본격적으로 연구되어 지난 30년간 괄목할 만한 발전을 이뤘다. 대사공학은 산업, 의료, 농업 및 환경 분야를 포함한 대부분의 생명공학 분야에서 적용돼왔으며, 특히 미생물 공학에 중점을 두고 연구가 진행됐다. 다양한 발효 식품과 알코올음료 생산 등, 미생물을 사용한 물질 생산은 오랜 역사가 있다. 미생물은 동식물에 비해 빠르게 자랄 수 있어 실험에 드는 시간과 비용이 적게 든다. 또한 유전자 변형 생물(Genetically Modified Organism; GMO) 관련한 윤리 및 안정성 문제에서 동식물과 비교해 미생물의 유전공학은 상대적으로 자유로워 미생물에 관한 대사공학 연구가 광범위하게 시행돼왔다.
지난 수십 년간 대사공학은 유용한 화학물질을 효율적으로 생산하고, 분해가 어려운 오염 물질을 분해할 수 있는 미생물 균주를 성공적으로 개발하는 등, 지속 가능한 발전을 위한 핵심적인 기술로서의 면모를 보여왔다. 특히, 현재까지 대사공학을 통해 개발한 미생물은 재생 가능한 바이오매스로부터 바이오 연료, 바이오 플라스틱, 산업용 대량 화학물질, 화장품 성분 및 의약품까지 수백 가지의 화학물질이 생산을 가능케 했다.
또한, 대사공학은 미생물과 곤충을 포함한 동식물의 자연적 정화 과정에서 영감을 얻어 미생물 기반의 다양한 생물학적 정화 방법을 개발하기 위해 사용돼왔다. 오염 물질과 독성 화학물질의 분해 경로를 조작함으로써 유출된 기름, 폐플라스틱, 살충제, 폐기된 항생제와 같은 물질을 더 높은 효율로 분해할 수 있도록 미생물을 개량할 수 있고, 이는 환경 보존을 위한 연구의 초석으로서 대사공학이 인류 건강에 기여하는 중요 예시다. 이처럼 대사공학은 유엔이 발표한 지속가능발전목표(Sustainable Development Goals; SDG) 달성에 다방면으로 기여하고 있다.
연구팀은 이번 연구에서 지난 30년간 대사 공학이 발전하며 어떻게 바이오 기반 화학물질의 지속 가능한 생산, 인류 건강 및 환경 문제까지 기여했는지에 대한 광범위한 개요를 제공했다. 특히 이상엽 특훈교수는 대사공학의 태동기부터 연구를 수행해 왔으며 2000년대 들어서 두드러진 합성생물학의 발전과도 함께해 왔다. 연구팀은 이번 논문을 통해 대사공학의 출현부터 인공지능을 활용한 최신 기술의 도입까지, 지난 수십 년 동안 어떻게 사회적, 산업적, 기술적 요구를 해결하기 위해 어떻게 발전해왔는지 정리하고, 최근 대사공학 연구가 어떻게 산업용 대량 화학물질 생산, 바이오 연료 생산, 천연물 생산, 생물학적 정화 분야에 기여하고 있는지 논의했다. 나아가 건강 및 환경 문제의 해결과 지속 가능한 바이오 기반의 화학산업을 정착시키기 위해 극복해야 할 대사공학의 문제점을 함께 제시했다.
공동 제1 저자인 생명화학공학과 김기배 박사과정생은 “기존의 석유화학 공정 기반의 화학물질 생산으로 인한 기후 위기와 화석 연료 고갈 문제를 고려했을 때 대사공학을 이용한 화학물질의 지속 가능한 생산 연구는 더욱 중요해지고 있다”라고 말했으며, 이상엽 특훈교수는 “이번 연구에서 대사공학의 역사를 돌이켜봄으로써 대사공학의 지속가능발전목표를 달성하기 위한 기여를 조명했으며, 우리 사회가 직면한 기후 위기, 환경 오염, 헬스케어, 식량 및 에너지 부족 문제에 대한 해결책으로서 대사공학이 점점 더 중요한 역할을 할 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 과제, 바이오·의료기술개발사업의 맞춤형 세포공장 기반 유해선충제어 바이오소재 기술 개발 과제, 그리고 산업통상자원부가 지원하는 e바이오리파이너리 직접공기포집 C1전환 합성생물학의 통합 과제의 지원을 받아 수행됐다.
2023.01.25
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상호작용 가능한 바이오 기반 친환경 화학물질 합성지도 완성
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 미생물에서 화학물질을 생산하기 위한 바이오 화학반응을 총망라한 웹 기반의 합성 지도를 완성했다고 29일 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지인 `생명공학 동향(Trends in Biotechnology)'에 8월 10일 字 게재됐다.
※ 논문명 : An interactive metabolic map of bio-based chemicals
※ 저자 정보 : 장우대(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 김기배(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 3명
급격한 기후 변화와 환경오염에 대응하기 위해 석유화학 제품을 미생물을 활용해 생산하는 연구가 주목받고 있다. 미생물을 이용해 다양한 화학 물질, 재료, 연료 등을 합성하기 위해선 목표 물질의 생합성 경로를 탐색 및 발굴해 미생물 내에 도입하는 것이 우선돼야 한다. 또한, 다양한 화학물질을 효율적으로 합성하기 위해선 미생물을 이용한 생물공학적 방법뿐만 아닌 화학적 방법 또한 통합해 활용할 필요가 있다.
지난 2019년, 이상엽 특훈교수팀은 미생물을 이용해 화학물질을 합성할 수 있는 경로를 기존 화학반응 공정과 함께 정리한 지도를 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 발표한 바 있다. 당시 편찬한 지도는 네이처 측에서 포스터 형식으로 전 세계의 산업계 및 학계에 배포해 각 화학물질의 합성 경로를 한눈에 확인할 수 있도록 했다.
연구팀은 전 세계적인 관심을 바탕으로 지난번에 공개한 바이오 기반 화학물질 합성 지도를 업데이트 및 확장하고, 웹 기반으로 제작해 누구나 쉽게 접근하여 각 화학물질 합성을 위한 효율적인 경로를 빠르게 탐색할 수 있도록 했다. 사용자는 개발한 웹 기반의 합성 지도에서 제공하는 대화형 시각적 도구를 사용해 다양한 화학물질 생산으로 이어지는 생물학적 및 화학적 반응의 복잡한 네트워크를 분석할 수 있다. 또한, 이번 개편에서는 식품, 의약품, 화장품 등에 활용할 수 있는 다양한 천연물과 그 합성 경로를 추가해 지도의 활용성을 넓혔다. 발표한 바이오 기반 화학물질 합성지도는 http://systemsbiotech.co.kr 에서 확인할 수 있다.
공동 제1 저자인 생명화학공학과 장우대 박사와 김기배 박사과정생은 “기존 배포했던 합성 지도의 업데이트와 사용성 증대에 대한 요구를 반영하여 이번 연구를 진행했다”라고 말했으며, “이번 논문에서 정리한 생물공학적 방법과 화학공학적 방법을 통합한 화학물질 생산 전략과 전망은 미생물 세포 공장 구축 시 화학물질의 합성 경로 설계뿐만 아닌, 신규 물질의 생합성 경로 설계에도 유용하게 활용할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.
이상엽 특훈교수는 “이번 연구에서 업데이트한 웹 기반 합성 지도는 기후 위기와 탄소중립에 대응하기 위한 바이오 기반 화학물질 생산 연구의 청사진으로서 역할을 할 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 과제 지원을 받아 수행됐다.
2022.08.29
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창업원, KAIST Startup Tech Plaza 6일 개최
우리 대학 창업원(원장 김영태)은 6일(수) 오후 2시 판교센터에서 KAIST 스타트업 테크 플라자(KAIST Startup Tech Plaza)를 개최한다.
KAIST 스타트업 테크 플라자는 ▲바이오테크/약학/헬스케어(Biotech/Pharmacy/Healthcare) ▲소재/부품/장비 ▲환경·사회·지배구조(ESG) ▲인공지능/디지털 트랜스포메이션(AI/DT) 등 최첨단 기술 트렌드를 공유하는 자리다. 창업원은 스타트업과 투자자 등 인재가 만나 함께 성장하는 기회의 장을 마련하기 위해 이번 행사를 포함해 올 한 해 동안 총 여섯 번의 스타트업 테크 플라자를 개최할 예정이다.6일 열리는 올해 첫 행사는 의과학 분야를 주제로 전문가 강연과 관련 분야 스타트업 IR(Investor Relations) 피칭 및 스타트업-VC 네트워킹 등의 프로그램을 마련했다. 이정석 KAIST 의과학대학원 교수(지놈인사이트 공동 창업자)가 “의사, 과학자, 사업가 그리고?”라는 주제로 강연한다. 또한, 튜론(TULON), 에아스텍(ERSTEQ), 프라미솝(PROMISOPE), 포엔(4N), 소누스(SONUS) 등 5개 창업기업이 IR 피칭을 진행한다. 이어, 스타트업-VC 네트워킹 및 1:1 맞춤 상담 등이 행사 현장에서 진행된다. 우리 대학 교원, 재학생 및 졸업생 중 창업에 관심이 있는 예비창업가라면 누구나 참여할 수 있으며, 현장 네트워킹 행사를 제외한 전체 순서는 ZOOM으로 중계된다.김영태 창업원장은 "최초·최고 기술 기반의 KAIST 창업가들이 코로나-19와 기술혁신 등으로 인한 대격변의 시기에 적기에 창업하고 빠르게 성장할 수 있도록 창업원의 역할을 지속적으로 강화할 것"이라고 밝혔다.
2022.04.05
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이상엽 특훈교수팀 학생들, 천연물 생산 미생물 개발 전략 총정리
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀 소속 대학원생 4명이 대장균 세포 공장을 개발해 생산된 대표 천연물들의 생합성 경로를 총망라해 최신의 연구 내용과 흐름을 한눈에 파악할 수 있도록 대사 회로를 정리한 `천연물 생산을 위한 대장균에서의 대사공학'을 주제로 논문을 발표했다.
학생들은 이번 논문에서 천연물 생산 대장균 세포 공장 개발을 위한 주요 시스템 대사공학 전략을 `효소 개량'과 `대사흐름 최적화', 그리고 `시스템 접근법' 등 3단계로 정리했으며 각 단계별로 활용이 가능한 최신 도구 및 전략을 대사공학이 나아가야 할 방향과 함께 제시했다.
양동수·박선영·은현민 박사과정과 박예슬 석사과정 학생이 참여한 이번 연구결과는 국제학술지인 셀(Cell)誌가 발행하는 생명공학 분야 권위 리뷰지인 `생명공학의 동향(Trends in Biotechnology)' 7월호(특별호: 대사공학) 표지논문 및 주 논문(Featured Article)으로 1일 게재됐다.
인류 역사에서 천연물은 식품과 의약품 등의 분야에 널리 사용되고 있는데 많은 천연물이 그 자체로 의약 물질로 쓰이거나 새로운 의약 물질 개발의 구조적인 근간이 되고 있다. 고부가가치 천연물에 대한 국제적인 수요와 시장규모는 지속적으로 증가하는 추세인 데 반해 천연자원으로부터 얻을 수 있는 양은 극히 제한적이며 완전한 화학합성은 대체로 효율이 낮고 유기 용매를 다량으로 이용하기 때문에 환경 오염과 인류 건강에 악영향을 초래할 수 있다.
따라서 전 세계적으로 천연물을 친환경적이며 고효율로 생산이 가능한 미생물 세포 공장을 개발하려는 노력이 이뤄지고 있다. 미생물 세포 공장 구축을 위한 핵심전략인 시스템 대사공학은 기존 석유화학산업을 대체할 바이오산업의 핵심이 되는 미생물 균주를 보다 효과적으로 개발하기 위해 KAIST 이상엽 특훈교수가 창시한 연구 분야다.
이상엽 특훈교수 연구팀은 실제 시스템 대사공학 전략을 이용, 천연물·아미노산·생분해성 플라스틱·환경친화적인 플라스틱 원료와 바이오 연료 등을 생산하는 고성능 균주들을 다수 개발한 성과를 거뒀다.
이들 4명의 학생을 지도한 이상엽 특훈교수는 "천연물 생산을 위한 대사공학 연구를 체계적으로 분석, 정리하고 또 향후 전략을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다ˮ면서 "권위가 있는 학술지에 주 논문이자 표지논문으로 게재된 이번 연구를 수행한 학생들이 자랑스럽다ˮ고 말했다.
공동 제1 저자인 양동수·박선영 박사과정 학생도 "고령화가 진행되는 사회에서 헬스케어 산업은 그 중요성이 더욱 대두되고 있다ˮ면서 "인류가 건강한 삶을 지속적으로 영위하기 위해서 필수적인 각종 천연물을 대사공학적으로 생산하는 연구 또한 갈수록 중요해질 것ˮ이라고 강조했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 `바이오리파이너리를 위한 시스템 대사공학 원천기술개발 과제' 및 노보 노디스크 재단의 지원을 받아 수행됐다.
2020.07.02
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생명화학공학과 대학원생들, 시스템 대사공학 전략 발표
〈 양동수 박사과정, 박다현 석사과정, 최경록 박사과정, 조재성 박사과정, 장우대 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 대학원생 다섯 명이 대사공학과 시스템 생물학, 합성 생물학의 결합 시스템 등 대사공학 전반의 전략에 대한 논문을 발표했다.
생명화학공학과는 최근 박사학위를 마친 최경록 연구원과 장우대, 양동수, 조재성 박사과정, 박다현 석사과정이 친환경 화학물질 생산을 위해 필수적인 미생물 공장을 개발하는 전략을 총정리했다.
이 연구의 결과는 셀(Cell)지가 발행하는 생명공학 분야 권위 리뷰 저널인 ‘생명공학의 동향(Trends in Biotechnology)’ 8월호 표지논문 및 주 논문 (Feature review)에 게재됐다. (논문명 : Systems Metabolic Engineering Strategies: Integrating Systems and Synthetic Biology with Metabolic Engineering)
시스템 대사공학은 기존의 석유화학산업을 대체할 바이오산업의 핵심이 되는 미생물 균주를 보다 효과적으로 개발하기 위해 KAIST 생명화학공학과의 이상엽 특훈교수가 창시한 연구 분야다.
전통적 대사공학에 시스템 생물학, 합성 생물학 및 진화 공학 기법을 접목한 시스템 대사공학은 직관적 전략이나 무작위 돌연변이 유발에 의존하는 기존의 대사공학과 비교해 적은 비용과 인력, 짧은 시간 내에 산업에서 이용 가능한 고성능 균주 개발을 가능하게 만든다.
연구 기획 단계에서부터 실제 공장에서 균주의 발효 공정 및 발효를 통해 생산된 물질의 분리/정제 공정까지 고려함으로써 산업 균주 개발 도중 불필요한 시행착오를 최소화할 수 있다.
본 논문에서는 시스템 대사공학 전략을 연구의 흐름에 따라 ▲프로젝트 디자인 ▲균주 선정 ▲대사회로 재구성 ▲표적 화합물에 대한 내성 향상 ▲대사 흐름 최적화 ▲산업 수준으로의 생산 규모 확대 등 일곱 단계로 나누고, 각 단계에서 활용할 수 있는 최신 도구 및 전략들을 총망라했다.
더불어 바이오 기반 화합물 생산의 최신 동향과 함께 고성능 생산 균주를 보다 효과적으로 개발하기 위해 시스템 대사공학이 나아가야 할 방향도 함께 제시했다.
주저자인 최경록 연구원은 “기후 변화가 커지며 기존의 석유화학 산업을 친환경 바이오산업으로 대체하는 것이 불가피하다”라며 “시스템 대사공학은 산업에서 활용 가능한 고성능 생산 균주의 개발을 촉진해 바이오산업 시대의 도래를 앞당길 것이다”라고 말했다.
지도교수인 이상엽 특훈교수는 “그간 우리 연구실과 전 세계에서 수행한 수많은 대사공학연구를 우리가 제시한 시스템 대사공학 전략으로 통합해 체계적으로 분석 및 정리하고 앞으로의 전략을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”라며 “권위 있는 학술지에 주 논문이자 표지논문으로 게재된 훌륭한 연구를 수행한 학생들이 자랑스럽다”라고 말했다.
이상엽 특훈교수 연구팀은 실제로 시스템 대사공학 전략을 이용해 천연물, 아미노산, 생분해성 플라스틱, 환경친화적 플라스틱 원료, 바이오 연료 등을 생산하는 고성능 균주들을 다수 개발한 바 있다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’ 및 한화케미칼이 지원하는 KAIST-한화 미래 기술 연구소의 지원을 받아 수행됐다.
2019.07.24
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이상엽 교수, 중국과학원 특훈교수 국제펠로우 및 텐진산업생명공학연구소 명예교수 추대
생명화학공학과 이상엽 특훈교수(KAIST 연구원장·사진)가 중국과학원(Chinese Academy of Sciences)으로부터 ‘2017년 특훈교수(Distinguished Professor) 국제펠로우’와 중국과학원 산하 텐진산업생명공학연구소(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology)에서 명예교수로 최근 각각 추대됐다.
중국과학원은 기초과학 및 자연과학 등의 연구를 하는 중국 최고의 학술기관으로 1949년 11월 설립됐다. 1997년 기초과학·자연과학과 하이테크 영역을 고루 갖춘 과학기술체제를 확립했는데 베이징 본원 외에 선양·상해·우한·광저우 등 12개의 주요 도시에 분소가 설치돼 있고 117개의 부속기관, 100개 이상의 국가 핵심 연구소를 운영 중이다.
이상엽 특훈교수는 미생물을 활용해 유용한 화학물질을 생산하는 ‘시스템대사공학’의 창시자로서 이 분야 세계 최초·최고의 원천기술을 다수 개발하는 한편 바이오 연료 및 친환경 화학물질의 생산공정 개발 등 산업생명공학분야 등에서 생명공학의 위상을 세계적으로 높이는데 기여한 공로를 인정받았다.
이상엽 특훈교수는 앞서 시스템대사공학 분야를 선도하는 글로벌 리더로서의 공을 인정받아 중국 우시(Wuxi)소재 강남대학교에서도 명예교수로 추대됐다. 이 교수의 주요 연구 성과로는 미생물 이용 휘발유 및 바이오 부탄올 생산 공정, 강철보다 강한 거미줄 생산, 나일론 및 플라스틱 원료를 생산하는 균주 개발 등이 있다.
이상엽 특훈교수는 2014년 국제학술지인 ‘네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology)’가 선정한 ‘세계 최고응용생명과학자 20인’에 포함된 바 있으며 또 생명공학자에게 주는 상인 제임스 베일리 상(2016년)과 마빈 존슨 상(2012년)을 아시아인 최초로 수상했다.
과학자로서는 최고의 영예인 미국공학한림원과 미국국립과학원 등 양대 학술단체의 외국회원으로 동시 선출된 전 세계 13인의 과학자 중 한명이기도 한 이상엽 특훈교수는 지난 7월 정부로부터 ‘2017년 대한민국 최고과학기술인상’을 수상했는데 그가 창시한 ‘시스템대사공학’ 분야는 세계경제포럼(WEF, 일명 다보스포럼)의 ‘2016년 세계 10대 유망 기술’에 선정되기도 했다.
2017.10.26
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생명화학공학과 연구원, 국제학회에서 3개 부문상 동시 수상
수상자(사진 왼쪽부터 박선영 학생·최소영 박사·최유진 학생) 사진
최우수 연구상과 최우수 포스터 발표상 등 2개 분야에서 모두 8개의 상이 주어지는 국제학회에서 우리대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀 소속 학생들과 연구원이 3개를 동시에 수상하는 쾌거를 이뤘다. 특정 연구팀 소속 구성원들이 국제학회에서 절반에 가까운 상을 동시에 휩쓸다시피 한 것은 세계적으로도 매우 보기 드문 사례로 꼽히고 있다.
지난 달 23일부터 27일까지 태국 콘캔 (Khon Kaen)에서 열린 ‘제 13회 아시아 생물공학회(The 13th Asian Congress on Biotechnology)’에서 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀 최소영 박사가 최우수 연구상을, 최유진·박선영 박사과정 학생이 각각 최우수 포스터 발표상을 수상했다. 아시아 생물공학회는 아시아를 비롯하여 세계 각국의 과학자 및 산업체 관계자들이 한자리에 모여 생물공학 분야의 최신 연구결과를 발표하는 등 친목과 네트워크를 구축하는 국제학술대회다. 올해로 13번째를 맞은 이번 학회에는 우리나라를 포함해 25개국에서 400여명의 생물공학 분야 연구자들이 모여 “바이오혁신과 바이오경제 (Bioinnovation and bioeconomy)”를 주제로 다양한 연구결과를 발표하고 토의하는 자리를 가졌다.
이상엽 특훈교수도 이번 학회에 참석해 ‘시스템 대사공학에 의한 친환경 화학물질생산 전략’을 주제로 개회 기조강연(opening plenary lecture)을 했다. 이상엽 특훈교수는 특히 “지난 20년간 학생들과 국제학회를 많이 다녀봤지만 최우수 연구상 3개와 최우수 포스터 발표상 5개 등 8개의 상이 걸려있는 국제학회에서 우리 연구팀이 동시에 3개씩이나 상을 휩쓴 것은 이번이 처음이다”고 감격스러워 했다.
최소영 박사는 세계 최초로 미생물을 이용한 생물학적 방법을 통해 폴리락테이트-글라이콜레이트(poly(lactate-co-glycolate)를 생산하는 연구결과를 발표, 최우수 연구상을 수상했다. 폴리락테이트-글라이콜레이트는 젖산과 글라이콜산의 랜덤 공중합체로 대표적인 의료용 합성 바이오고분자다. 이 고분자는 생분해성, 생체적합성, 낮은 독성의 성질로 미국 식품의약국(FDA)으로부터 승인을 받았으며 주로 임플란트, 약물전달체, 봉합사 등 의료용으로 사용된다. 최 박사의 연구는 대장균의 대사공학을 통해 포도당과 목당을 세포 내에서 폴리락테이트-글라이콜레이트를 생산하는 획기적인 연구결과로 평가받았다. 최 박사는 이상엽 특훈교수 지도로 올 2월 박사학위를 취득했으며 현재 포스트닥 연구를 수행 중이다.
최유진 박사과정 학생은 재조합 대장균을 이용한 다양한 나노입자의 생물학적 합성연구를 발표해서 최우수 포스터 발표상을 수상했다. 최유진 학생은 이번 연구를 통해 중금속 흡착단백질과 펩타이드를 발현시킨 재조합 대장균을 이용, 금과 은을 비롯한 단일 나노입자, 양자점, 자성나노입자 및 이제까지 합성이 보고되지 않았던 다양한 금속 나노입자들을 생물학적으로 합성하는데 성공했다. 이 같이 생물학적으로 합성된 나노입자들은 바이오이미징·진단·환경 및 에너지 분야에 활용이 가능하다.
최우수 포스터 발표상을 수상한 박선영 박사과정 학생은 자연에서 발견되는 강력한 항산화 물질인 아스타잔틴(astaxanthin)을 대사공학을 이용해 대장균에서 생산 및 증산하는 연구결과를 발표해 주목을 받았다. 아스타잔틴은 연어나 새우에서 발견되는 붉은 빛의 카로티노이드계 색소로 건강식품과 화장품 산업 등에서 널리 이용되고 있는 물질이다.
2017.08.01
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최소영 학생, 국제대사공학회 우수논문상 수상
〈 최 소 영 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 최소영 박사과정 학생이 6월 25일부터 5일간 일본 아와지 유메부타이에서 열린 ‘제 11회 국제 대사공학회(International Metabolic Engineering Conference)’에서 우수 논문상을 수상했다.
최소영 학생은 의료용 플라스틱의 한 종류인 폴리락테이트-글라이콜레이트(polylactate-co-glycolate)를 생물학적 방법을 통해 생산하는 방법을 최초로 개발해 ‘학생/젊은 연구자 포스터(Student/young investigator poster award)’ 부문에서 우수상을 수상했다.
올해로 11회를 맞는 국제대사공학회에는 대사공학 분야의 우수한 연구자 400여 명이 전 세계에서 초청됐다. 이번 학회에서는 ‘대사공학을 위한 설계, 합성, 시스템 통합’을 주제로 최신 연구결과 발표 및 연구 전략에 대한 토의가 진행됐다.
폴리락테이트-글라이콜레이트는 젖산과 글라이콜산의 무작위 공중합체로 이뤄지는 대표적 의료용 합성 바이오고분자이다. 이 고분자는 생분해성, 생체적합성, 낮은 독성을 갖고, 주로 임플란트, 약물전달체, 봉합사 등의 의료용 고분자로 사용된다.
최소영 학생은 미생물의 유전자 조작을 통해 포도당과 목당을 세포 내에서 폴리락테이트-글라이콜레이트로 전환하는 대장균을 개발해 현 화학 공정을 대체하는 생합성 시스템을 구축했다.
이 연구 내용은 지난 4월 네이처 바이오테크놀로지 (Nature Biotechnology) 저널에 게재됐다.
최소영 학생은 “연구 분야의 대표 학회에서 수상하게 돼 매우 기쁘고 세계적으로 인정받는 우수 연구를 통해 한국 과학기술 발전에 기여하겠다”고 말했다.
2016.07.06
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녹색성장을 위한 대사공학의 현재와 미래를 본다
-6.13∼17, 5일간 세계대사공학회 제주에서 개최-
-전 세계 대사공학 최고 전문가 제주도에 총 집결--KAIST 이상엽 특훈교수 주관, 녹색성장 위한 산업바이오 핵심기술 총 망라-
기후변화와 자원부족 문제가 심각한 오늘날, 재생 가능한 바이오매스(Biomass)로부터 화학 및 물질을 생산하는 산업바이오텍(Industrial Biotechnology)의 중요성은 날로 높아지고 있다.산업바이오텍은 미생물을 이용해 유용물질들을 생산하게 하는 기술이다. 이를 성공적으로 적용하려면 미생물을 우리가 원하는 방향으로 개량해 생산성을 높이는 대사공학 기술이 필수적이다.
우리학교 이상엽(생명과학기술대학 학장, 바이오융합연구소 공동소장) 특훈교수가 주관해 “녹색성장을 위한 대사공학”이라는 주제로 열리는 제 8차 세계대사공학회가 제주도 국제컨벤션센터에서 오는 13일부터 17일까지 5일간에 걸쳐 개최된다고 12일 밝혔다.
이번 학회에서는 대사공학을 통한 바이오연료, 화학물질, 고분자, 의약품 생산에 관한 논문들과 대사공학 기초원천기술에 대한 논문들이 발표된다. 또한 KAIST 이상엽 특훈교수팀을 비롯한 총 47회의 세계적 석학 초청강연도 진행될 예정이다.
바이오리파이너리(Biorefinery)를 선도하는 세계 대표기업들의 성공사례들도 발표되는데, 미국 듀퐁사(DuPont) 바이오 총괄책임자 윌리암 프로빈박사(Dr.William Provine)의 “성공적 상업화를 위한 대사 및 공정공학” 등 실제 산업화된 기술들이 상세히 소개된다.
2년마다 개최되는 이 학회에서는 국제대사공학상을 수여한다. 올해 수상자는 30여 년간 클로스트리디아(Clostridia)의 대사공학을 연구해 바이오부탄올(Biobutanol) 생산 분야에서 세계를 선도해온, 미국 델라웨어주립대(University of Delaware) 테리 파푸차키스 교수(Dr. E. Terry Papoutsakis)다. 한편 이번 행사를 주관한 KAIST 이상엽 특훈교수는 2008년도 수상자였다.
국제대사공학상 이외에도 엄격한 심사를 통해 우수한 포스터논문들이 선정되어 수상된다. 국제대사공학회에서 수여하는 ‘최우수포스터논문상’, ‘젊은대사공학인상’ 외에도, 해외 저명학술지에서 수여하는 상들도 예정돼 있다.
청와대 김상협 미래비전비서관은 개막 기조연설에서 “한국의 녹색성장 전략”을 주제로 강연해 우리나라의 녹색성장 관련 리더십을 전 세계 전문가들에게 알린다. 또, 한국생명공학연구원 박영훈 원장의 학회 축하연설도 예정돼 있다.
김 비서관은 “재생 가능한 바이오매스로부터 지속가능한 방법으로 화학물질과 연료를 생산하는데 필요한 핵심기술인 대사공학의 국제학술대회가 한국에서 개최되는 것은 녹색성장이 전 세계의 화두인 지금 큰 의미가 있다”며, “전 세계에서 참석하는 대사공학 및 산업바이오텍 전문가들에게 한국의 녹색성장 관련 기술의 우수성을 알리는 좋은 기회가 될 것으로 생각한다.”고 말했다.
학회 대회장인 KAIST 이상엽 특훈교수는 “이 학회는 2년마다 개최되는 대사공학 분야 최고 국제 학술회의로 아시아에서는 우리나라가 최초로 개최하는 것”이라고 밝히면서, “ 아침부터 밤늦도록 이어지는 포스터세션까지 참석한 모든 전문가들과 학생들이 긴밀하게 함께하는 행사이기에, 이전에는 참석 인원수를 200-250명 정도로 제한해 왔다. 이번 학회는 참석 경쟁률이 치열해 최종 300여명을 선발했고, 우리나라에서 리더십을 발휘하고 있는 녹색성장을 주제로 개최하게 됐다는 점에서 큰 의의가 있다. 또 이번 학회의 성공적 개최를 위해 후원을 아끼지 않은 롯데재단, 코프코, GS칼텍스, 바이오니아, 미국에너지성, 미국과학재단, 대상, CJ제일제당, 제노마티카, 듀퐁 등 많은 기관들에 감사한다.”고 말했다.
한편, 본 학회는 교육과학기술부 시스템생물학사업단, 미생물프론티어사업단, WCU사업단, KAIST바이오융합연구소, 한국생물공학회가 미국의 국제공학학회(ECI)와 공동으로 운영한다.
프로그램 일정은 학회 웹사이트 참고 http://www.engconfintl.org/10ay.html
※보충자료
이번 국제학회에서 발표되는 총 47회의 초청강연 중에는 미국 공동에너지연구소 소장 제이 키슬링박사의 “합성 연료를 위한 합성생물학”, 미국 MIT 그렉 스테파노폴러스교수의 “재생 가능한 원료로부터 미생물 연료생산”, 스웨덴 찰머스 대학 옌스 닐슨교수의 “연료와 화학물질 생산을 위한 효모 공장”, 스위스 연방공대 마틴 푸세네거교수의 “고등생물 합성생물학”, 캘리포니아주립대 버나드 폴슨교수의 “게놈수준에서의 모델링과 응용”, 호주 퀸즈랜드대학 라스 닐슨교수의 “설탕 활용 대장균의 게놈 분석과 응용”, 최근 뉴스를 달군 크렉벤터연구소 다니엘 깁슨박사의 “인공 미생물 합성”, 일본 게이오대학 마사루 토미타교수의 “대사체와 그 응용” 등 현재 가장 중요한 연구분야에서의 최신 연구결과가 발표된다. 우리나라에서는 KAIST 이상엽특훈교수팀 박진환연구교수의 “아미노산 생산을 위한 대사공학”과 한국생명공학연구원 김지현박사의 “대장균 B의 게놈 분석과 응용” 논문 등이 있다.
바이오리파이너리를 선도하는 세계 대표기업들의 성공사례들도 발표가 되는데, 미국 듀퐁사 바이오 총괄 책임자인 윌리암 프로빈박사의 “성공적인 상업화를 위한 대사 및 공정공학”, 미국 제노마티카사 총괄 기술책임자 마크 버크박사의 “재생가능한 원료로부터 부탄다이올의 생산”, 프랑스 메타볼릭익스플로러사 프란시스 볼커박사의 “바이오 기반 프로판다이올 생산”, 미국 카길사 피코 수미넨박사의 “산업적 젖산생산 기술”, 미국 다니스코사 그렉 화이티드박사의 “바이오 고무생산”, 네덜란드 DSM사 로엘 보벤버그박사의 “곰팡이를 이용한 의약품의 효율적 생산” 등 실제 산업화된 기술들이 상세히 소개된다.
초청강연 이외에도 총 156편의 엄격한 심사를 거친 포스터 논문 발표가 있을 예정이며, 이들 포스터 중에서 심사위원들의 심사를 거친 우수 포스터논문들이 선정되어 상이 수여될 예정이다. 국제대사공학회에서 주는 최우수 포스터 논문상, 젊은 대사공학인상 뿐 아니라, 대사공학지, 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링지, 바이오테크놀로지 저널 등 해외 저명 학술지에서 수여하는 상들도 예정돼 있다. 네이처케이컬바이올로지에서 주는 상은 이번 학회에 참석하는 선임편집자인 캐서린 굿맨이 수여한다.
프로그램 일정은 학회 웹사이트 참고 http://www.engconfintl.org/10ay.html
2010.06.12
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생명화학공학과 박현규교수, 생명공학분야 국제학술지 생명공학저널(Biotechnology Journal)편집자로 위촉
생명화학공학과 박현규교수가 유럽 최대 규모의 출판사인 독일 와일리(Wiley-VCH)社에서 발간하는 국제 학술지인 생명공학저널(Biotechnology Journal) 편집자(Editorial Board Member)로 최근 선임됐다.
박 교수는 그간 DNA 칩(chip)과 핵산 분석 바이오센서(Biosensor) 등 DNA 생명공학 연구를 집중적으로 수행해 많은 탁월한 연구 성과를 내 왔다. 박 교수는 2012년까지 이 저널의 편집업무를 수행하며 논문의 게재여부를 결정하는 의견을 제시하게 된다.
생명공학저널(Biotechnology Journal)은 지난 2006년 1월에 창간됐으며 Systems & Synthetic Biology, Nanobiotechnology, Microarray Technology, Metabolic Engineering 등의 생명공학분야에서 매우 유망한 국제 생명공학 학술지이다.
2010.02.08
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