고려대 김경헌 교수팀, 홍조류 자원 활용 바이오에너지 및 바이오화학물질을 생산하는데 성공

많은 연구자들이 이를 해결하기 위해서, 화석연료로 만들어낼 수 있는 에너지 및 다양한 물질들을 지속가능한 미래에너지자원인 미생물, 식물, 동물 등의 생물체로부터 만들기 위해 연구를 활발히 진행하고 있다.

처음에는 사탕수수와 옥수수 등의 식량을 이용하여 바이오에탄올 등을 만들려고 했지만, 식품을 이용한다는 윤리적인 문제와 식량 가격이 급등할 거라는 문제점들로 인해, 식품으로 이용할 수 없는 갈대와 억새와 같은 비식용 작물을 이용하여 바이오에너지 및 바이오화학물질들을 생산하고자하는 연구들이 진행되어왔다. 

그러나 이들은 리그닌이라는 주요 구성성분이 높은 함량으로 존재하여 단단한 구조를 형성하기 때문에 쉽게 분해되지 않는 다는 단점이 있다.

반면, 해양식물자원인 해조류는 리그닌 함량이 매우 낮아, 구조가 단단하지 않고 쉽게 분해되어 이들을 자원으로 이용하기가 더 유리하다. 

또한 해조류는 이산화탄소를 고정, 공기 중 탄소를 제거하는 효율이 매우 높으며, 육상식물과는 달리 넓은 경작지나 비료, 농업용수가 따로 필요하지 않다.

그러나, 이러한 해조류들은 육상식물에는 존재하지 않는 독특한 탄수화물로 구성되어있다. 

예를 들어서 다시마와 같은 갈조류에는 알긴산(alginate)이라는 독특한 구성성분을 지니고 있으며, 꼬시래기 또는 우뭇가사리와 같은 홍조류에는 아가로스(agarose)라는 독특한 구성성분을 지니고 있다. 

현재까지 갈조류에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있었지만, 홍조류에 대한 연구는 미흡하다.

아가로스는 갈락토오스에서 물 한 분자가 빠진 무수당(3,6-anhydrogalactose, AHG)과 갈락토오스로 구성되어 있는데, 갈락토오스는 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 흔한 당으로, 미생물이 성장을 위해 쉽게 사용가능하지만, 무수당은 육상식물에 존재하지 않는 희귀당으로 이를 대사할 수 있는 미생물은 매우 제한적이다. 

또한, 무수당은 독특한 고리형태로 인해 산과 열에 매우 취약해서 쉽게 변성이 되기때문에 이를 이용해서 다른 유용한 물질을 생산하기에는 매우 어렵다. 

이러한 이유들로 많은 장점을 지님에도 불구하고 홍조류를 이용한 연구가 활발히 이루어지지 않고 있다. 그러나, 무수당의 이러한 독특한 구조는 오히려 다양한 플랫폼 화학물질로 전환될 수 있는 잠재력을 지니고 있다.

연구진들은 무수당의 불안정성을 해결하고 다양한 플랫폼 화학물질로 전환될 수 있는 새로운 플랫폼 화합물을 생산하고자 하였다. 

이를 위해 홍조류의 대표 다당류인 아가로스로부터 무수당을 손쉽게 생산할 수 있는 화학공정 및 생산된 무수당의 알데하이드 그룹을 생물학적으로 환원을 시킬 수 있도록 대사공학기법을 이용한 재조합 효모를 만들어서 생물학적 공정을 통해 열 안정성이 높은 알코올 형태인 무수당알코올(AHGol)로 전환할 수 있는 통합공정을 구축하는데 성공했다. 

이 무수당알코올은 비누, 화장품, 의약품, 살충제 등에 사용되는 중요한 플랫폼 화합물인 지방산에스테르로 전활 될 수 있어 의미가 크다. 

뿐만 아니라, 물 한 분자를 더 제거함으로써, 플라스틱, 습윤제, 협심증 치료제 등에 사용되는 범용 화합물인 이소소르비드(isosorbide)로 전환될 수도 있다. 앞으로 홍조류를 자원으로 이용한 여러 연구들이 활발히 진행될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 실무자인 김동현 고려대 연구교수는 고려대 박사과정 때 김경헌 교수 연구실의 홍조류 기반 연구를 바탕으로 BK21 생명공학원사업단 지원 아래 효모 대사공학기법의 세계적 권위자인 일리노이대 진용수 교수 연구실 방문을 통해 값진 성과를 얻을 수 있었다.

연구 결과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원사업 및 C1가스리파이너리사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 2월 24일 영국화학회가 발간하는 국제학술지 Green Chemistry(IF=9.405)에 게재됐다.