미국-이란 전쟁으로 전 세계 석유 수급이 불안정하다 보니 많은 나라가 석유를 대체할 에너지원 확보에 적극 나서고 있다. 그러나 현재 우리 주위의 수많은 플라스틱, 섬유, 의약품 원료 등 대부분 화학제품은 석유에서 생산된다. 하지만 탄소배출과 환경오염 문제가 커지면서 미생물을 이용해 화학물질을 만드는 바이오제조가 차세대 제조 기술로 주목받고 있다. 문제는 실험실 연구가 실제 공장에서 대량 생산으로 이어지지 않는다는 것이다. 카이스트 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀은 이런 바이오제조 상용화의 핵심 과제를 종합 분석하고 이를 극복하기 위한 산업화 전략과 미래 발전 방향을 제시했다고 14일 밝혔다. 이 연구 결과는 기초과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 실렸다. 바이오제조의 핵심 기술인 시스템대사공학은 미생물의 대사 경로를 설계, 최적화해 원하는 화학물질을 생산하는 미생물 세포공장을 만드는 기술이다. 이 개념은 이상엽 교수가 세계 최초로 창안한 것으로 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 문제는 연구실에서는 높은 생산성을 보인 기술이 산업 현장에서는 생산성이 떨어지고 생산비가 증가하거나 가격 경쟁력을 확보하지 못해 상용화에 실패하는 경우가 적지 않다는 것이다. 연구팀은 흔히 ‘데스 밸리’라고 불리는 연구실과 산업 현장 사이의 간극을 대표적으로 보여주는 사례로 바이오 기반 화학원료인 숙신산과 생분해성 플라스틱 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 분석했다. 숙신산은 친환경 플라스틱과 다양한 화학소재를 만드는 핵심 원료다. 연구팀은 숙신산이 기존 석유화학 제품과 경쟁하기 위해서는 생산량뿐 아니라 원료 가격, 발효 공정, 분리·정제 비용, 시장 규모까지 함께 고려해야 하며 의약품, 화장품, 식품 소재 등 고부가가치 시장부터 단계적으로 진입하는 전략이 현실적인 해법이 될 수 있다고 제시했다. 또 PHA는 미생물이 세포 안에 축적하는 생분해성 플라스틱으로 사용 후 자연에서 분해되는 친환경 소재로 주목받는 소재지만 생산비와 회수 비용이 높아 기존 플라스틱과 비교하면 가격 경쟁력이 낮다. 이에 연구팀은 생산 공정을 단순화하고 의료용과 식품 포장재 등 고부가가치 분야부터 적용한 뒤 범용 시장으로 확대하는 단계적 접근이 필요하다고 분석했다. 또 연구팀은 인공지능(AI)이 바이오제조 산업화의 핵심 열쇠가 될 것이라고 전망했다. AI는 효소와 미생물 설계는 물론 생산 공정을 가상으로 구현하는 디지털 트윈, 경제성과 환경성을 동시에 분석하는 기술 등을 통해 바이오제조 전 과정을 최적화할 수 있으며 이를 통해 개발 기간과 생산 비용을 줄이고 상용화 성공 가능성을 높일 수 있다는 것이다. 연구를 이끈 이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 바이오제조 산업화의 성공 조건을 종합적으로 분석하고 원료 확보부터 미생물 설계, 발효, 분리·정제, 시장 진입까지 전 주기를 아우르는 산업화 로드맵을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다. 이 특훈교수는 “바이오제조 상용화는 원료-균주-발효-정제-시장으로 이어지는 전 과정이 유기적으로 연결돼야 가능하다”며 “시스템대사공학과 AI의 융합은 이러한 병목을 해결하고 바이오제조 시대를 앞당기는 핵심 기술이 될 것”이라고 덧붙였다.

중국 전자 과학기술대 재료·에너지학부, 물리학부, 양쯔 삼각주연구소, 선전 고등과학기술원 합성생물학연구소, 중국과학원대, 난징대 화학·화학공학부 공동 연구팀은 바닷물에서 이산화탄소를 포집해 생분해성 플라스틱의 전구체(원료로 사용되는 초기 물질)로 전환할 수 있는 기술을 개발했다고 8일 밝혔다. 이 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘네이처 촉매’ 10월 7일 자에 실렸다. 바다는 지구 최대의 탄소 흡수원으로, 인간의 활동으로 배출된 이산화탄소의 약 25%를 흡수한다. 문제는 이산화탄소 농도가 높아지면 해양 산성화가 가속하고 생태계 불안정을 초래할 위험이 있다. 이에 연구팀은 바닷물에서 이산화탄소를 70% 이상 효율로 포집하면서도 에너지 소비는 이산화탄소 1㎏당 3킬로와트시( )로 낮게 유지하며 536시간(약 22일) 연속 운전이 가능한 시스템을 설계했다. 이 시스템은 우선 이산화탄소를 전기 촉매 기술로 고순도 개미산으로 전환하고 공학적으로 개량한 세균을 이용해 개미산을 숙신산으로 전환하는 방식이다. 숙신산은 생분해성 플라스틱인 폴리부틸렌숙신산염(PBS) 제조에 필요한 물질이다. 이번 연구는 산업용 화합물을 보다 지속 가능한 방식으로 생산할 가능성을 제시했다는 평가를 받는다.

프랑스 출신의 식물성 원료 전문기업 ‘로케뜨(Roquette)’와 글로벌 유통 전문 회사 ‘DKSH코리아’가 친환경 바이오 소재를 기반으로 한 폴리우레탄의 최신 연구 결과와 시장 전망에 대한 세미나를 성공적으로 개최했다고 1일 밝혔다. 세미나는 그랜드 인터컨티넨탈 호텔에서 개최됐으며, 약 70명이상의 국내 폴리우레탄 및 도료업계의 주요 선두 기업인이 참가했다.이날 행사에서는 바이오 모노머를 사용하여 자동차, 포장 및 코팅 분야의 혁신 프로젝트를 이끌고 있는 르네 상루 박사(Dr. René SAINT-LOUP)가 연사로 참여했으며, 로케뜨사의 친환경 소재의 지속가능성에 관한 노력부터 바이오기반 폴리우레탄의 시장 활용 사례까지 폭넓게 다뤘다. 아울러 친환경 단량체인 바이오 숙신산(BIOSUCCNIUM® bio-succinic acid)과 아이소소바이드(POLYSORB® isosorbide)를 활용한 다양한 폴리우레탄 응용 사례를 소개했다. 로케뜨사의 Performance Material 사업부문장인 Franck Thumerel 은 “자사의 바이오 소재는 물성을 유지하면서도 지속 가능한 솔루션을 만들 수 있다는 점을 강조하고 싶다.”며, “환경을 보호하면서도 탄소 발자국을 줄이는 핵심적인 해결책으로써 석유계 폴리우레탄을 친환경 소재로 전환하게 하는데 중요한 역할을 한다.”라고 밝혔다. DKSH Performance Materials Korea 관계자는 “본사에서는 로케뜨를 포함한 글로벌 화학제조사의 화학원료를 국내로 수입해 안정적으로 구축된 유통 채널과 광범위한 지역 네트워크를 기반으로 완벽한 인바운드 물류 서비스를 제공하고자 한다”며 “운영 비용 절감, 신규 수익 창출, 경쟁력 있는 가격 확보 등 고객사가 다양한 혜택을 받을 수 있도록 노력하고 있다.”라고 전했다. 한편, 로케뜨사는 1933년 설립 후, 식물성 단백질, 제약 등 여러 분야에서 활동하고 있다. 현재 100여개의 국가에서 약 50억 유로에 달하는 매출을 기록하고 전 세계에 8,000 명 이상의 직원을 고용하고 있을 정도의 규모로 성장했다. DKSH Performance Materials는 특수화학물, 식음료, 제약, 그리고 퍼스널 케어 산업의 전문 유통기업으로, 150년 이상 아시아, 유럽, 북미를 포함한 다양한 지역에서 시장 확장 서비스를 진행해 왔다. 현재 전세계 33개 국가에서 1,650명 이상의 전문가들이 업무를 수행하고 있다.

이유 없는 복통과 설사, 혈변 등이 계속되는 경우 염증성 장질환을 의심한다. 크론병, 궤양성 대장염 같은 염증성 장질환은 장관 내에 비정상적 염증이나 궤양이 호전과 재발을 반복하는 만성 휘귀난치병이다. 불규칙하고 서구화된 식습관으로 주로 젊은 층에서 많이 발생하는 것으로 알려져 있다. 최근에는 아동 청소년에게서도 많이 나타나 영양실조, 성장장애 등 문제가 발생한다. 문제는 명확히 원인이 밝혀지지 않아 치료도 항염증제, 면역조절제 등으로 증상완화에 그치고 있다. 세브란스병원 소화기내과 천재희 교수팀은 이스라엘 벤구리온대 연구팀과 함께 염증성 장질환은 장 미생물에서 만들어지는 대사체인 숙신산이 대장 염증을 일으켜 생긴다고 17일 밝혔다. 이번 연구결과는 생물학 분야 국제학술지 ‘셀 리포츠’에 실렸다. 장내 미생물의 불균형 때문에 병리학적 이상이 생기는데 특히 숙신산이라는 물질이 염증 반응을 촉진하는 대식세포를 활성화해 만성 염증의 원인으로 지목돼 왔지만 정확한 발병 메커니즘이 밝혀지지는 않았다. 연구팀은 다양한 환경에서 대식세포를 배양해 숙신산을 많이 흡수하는 대식세포의 상태와 숙신산이 염증을 일으키는 과정을 연구했다. 대식세포에 염증작용을 일으키는 지질 다당류와 인터페론-감마 처리를 하면 숙신산 흡수가 빨랐고 면역체계를 제어하는 인터루킨-4와 인터루킨-13 처리를 하면 숙신산 흡수가 느린 것이 관찰됐다. 또 숙신산과 함께 배양되는 대식세포는 그렇지 않은 세포보다 숙신산 함유가 2.5배 많아졌다.연구팀은 염증성 장질환을 앓고 있는 환자의 분변과 혈액을 일반인과 비교해 숙신산과 대장 염증의 관계를 조사했다. 그 결과 염증성 장질환 환자의 분변과 혈액에서는 일반인보다 숙신산 농도가 약 4배 높았고 체내에서 숙신산 조절도 안돼 염증이 심해지는 것으로 확인됐다. 이와 함꼐 염증성 장질환 환자의 대장에서는 숙신산을 만드는 장내 미생물이 늘어나고 숙신산을 억제하는 장내 미생물이 적다는 사실도 확인할 수 있었다. 천재희 세브란스병원 교수는 “이번 연구는 발병 원인과 치료법이 명확하지 않았던 염증성 장질환에서 질병 발생 메커니즘을 규명함으로써 신개념 치료제 개발에 도움이 될 것”이라고 말했다.

카이스트는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(연구부총장)가 미국 산업미생물생명공학회에서 수여하는 ‘찰스 스콧상’을 동양인으로는 처음 수상했다고 26일 밝혔다. 찰스 스콧상은 생명공학기술을 이용해 연료나 화학물질을 생산하는 데 가장 크게 기여한 사람에게 수여된다. 1995년 처음 만들어진 이후 미국과 유럽 등 서구 과학자들만 수상해 왔다. 이 교수는 시스템 대사공학을 처음으로 만들어 다양한 미생물 세포공장 개발을 위한 전략과 방법에 관한 원천기술들을 개발했다. 이 교수는 미생물을 이용해 가솔린, 디젤은 물론 생분해성 플라스틱, 고분자 원료가 되는 다양한 단량체, 천연 활성물질, 빨간색을 띤 식용색소인 카르민산 등을 세계 최초로 개발하거나 세계 최고 효율로 생산하는 데 성공했다. 최근에도 합성섬유인 폴리에스터 원료가 되는 숙신산, 글루타르산의 고효율 생산 균주와 발효공정을 개발하기도 했다. 시상식은 코로나19 상황에 따라 26~28일 온라인으로 개최되는 ‘제43차 바이오물질, 연료 및 화학물질 심포지엄’에서 열릴 예정이다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

카이스트는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(연구부총장)가 미국 산업미생물생명공학회에서 수여하는 ‘찰스 스콧상’을 동양인으로는 처음 수상했다고 26일 밝혔다. 찰스 스콧상은 생명공학기술을 이용해 연료나 화학물질을 생산하는데 가장 크게 기여한 사람에게 수여하는 상으로 1995년 처음 만들어진 이후 미국과 유럽 등 서구 과학자들만 수상해왔다. 이 교수는 시스템 대사공학을 처음으로 만들어 다양한 미생물 세포공장 개발을 위한 전략과 방법에 관한 원천기술들을 개발했다. 이 교수는 미생물을 이용해 가솔린, 디젤은 물론 생분해성 플라스틱, 고분자 원료가 되는 다양한 단량체, 천연 활성물질, 빨간색을 띤 식용색소인 카르민산 등을 세계 최초로 개발하거나 세계 최고 효율로 생산하는데 성공했다. 최근에도 합성섬유인 폴리에스터 원료가 되는 숙신산, 글루타릭산의 고효율 생산 균주와 발효공정을 개발하기도 했다. 시상식은 코로나19 상황 때문에 26~28일 온라인으로 개최되는 ‘제43차 바이오물질, 연료 및 화학물질 심포지엄’에서 있을 예정이다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

이, ‘시스템 대사공학’ 창시자 황, DB 검색 등 정보기술 기여“4차 산업혁명은 어느 한 정부의 모토나 비전으로만 생각해서는 안 됩니다. 4차 산업혁명이라고 해서 무조건 융합만 얘기하는 것도 문제입니다.” 올해 대한민국 최고과학기술인상 자연과학 분야 수상자로 선정된 이상엽(왼쪽·53) 카이스트(KAIST) 생명화학공학과 특훈교수는 3일 정부과천청사에서 열린 기자간담회에서 최근 한국 사회를 뜨겁게 달구고 있는 4차 산업혁명에 대해 이같이 말했다. 이 교수는 이어 “4차 산업혁명은 디지털·물리·생물 분야가 결합돼 새로운 산업모델을 만들어 내는 것”이라면서 “과학기술은 디지털·물리·생물이 융합되는 경계면에 위치해 있기 때문에 과학자들은 평소 관심 있는 분야를 연구하면서 짬짬이 인문학이나 다른 분야 연구자들과 소통하며 공동 연구를 함으로써 융합연구의 성과를 만드는 것이 4차 산업혁명의 토대를 이룰 수 있다”고 강조했다. 이 교수는 미생물을 활용해 휘발유나 바이오 부탄올, 숙신산 같은 유용한 화학물질을 생산하는 ‘시스템 대사공학’을 창시해 기초과학·공학기술·대량생산으로 이어지는 새로운 비즈니스 모델을 만들었다는 평가와 함께 국내 생명공학의 위상을 세계적으로 높인 공로를 인정받아 올해 최고과학기술인상을 받게 됐다. 이 교수와 함께 공학 분야 수상자로 선정된 황규영(오른쪽·66) 카이스트 전산학부 특훈교수는 “소프트웨어 분야에서 최고과학기술인상을 받은 것은 이번이 처음이기 때문에 뜻깊다”고 소감을 밝혔다. 황 교수는 정보검색 기능을 데이터베이스 엔진 깊숙이 내장하는 ‘데이터베이스-정보검색의 밀결합’ 기술을 개발하는 등 정보기술의 학문적, 기술적 발전에 기여한 공로를 인정받았다. 황 교수는 1990년대 말 ‘오디세우스’라는 프로그램을 만들어 네이버 검색엔진에 장착함으로써 ‘1초 내 검색’이라는 기술 혁신을 이루기도 했다. 최고과학기술인상은 2003년에 만들어져 올해까지 38명의 수상자를 배출한 국내 최고 권위의 과학기술인상이다. 수상자들은 오는 7일 서울 강남구 삼성동 코엑스에서 열리는 ‘2017년 대한민국 과학기술 연차대회’ 개회식에서 각각 대통령 상장과 상금 3억원을 받게 된다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

국내 연구진이 실제 미생물과 비슷한 생리현상을 지닌 ‘가상세포’를 개발, 관련 산업에 유용한 물질을 효과적으로 생산할 수 있는 방법을 찾았다. 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽(43) 교수 연구팀은 11일 미생물의 게놈정보에 근거해 컴퓨터상에서 가상세포 실험을 가능케 하는 방법을 개발하고, 이를 실제로 적용해 ‘숙신산(succinic acid:일명 호박산)’을 효율적으로 생산하는 ‘맨하이미아 가상세포’를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구결과는 생명공학 분야 대표 학술지인 ‘바이오테크놀로지 & 바이오엔지니어링’7월호에 ‘특급논문’ 및 표지 논문으로 선정됐다. 이 교수는 “맨하이미아 균주의 686개의 효소반응식과 519개의 대사물질로 구성된 대사 네트워크를 실제로 규명하고 배양실험을 통해 가상세포와 실제 세포의 행동이 일치함을 확인한 것이 큰 성과”라면서 “연구성과를 바탕으로 다양한 바이오제품의 생산능력을 높일 수 있는 기법을 개발해 특허를 출원했다.”고 말했다.이영표기자 tomcat@seoul.co.kr

국내 연구진이 석유에서만 추출할 수 있었던 다기능 산업용 화학물질을 한우의 위(胃)에 사는 미생물로부터 뽑아내는 데 성공했다. 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽(40·LG화학 석좌교수)교수 연구팀은 맨하이미아균(菌)의 게놈 염기서열을 완전 해독,여기에서 화학물질인 숙신산(酸·Succinic Acid)을 대량으로 얻어낼 수 있는 방법을 찾아냈다고 19일 발표했다.이 교수팀의 연구결과는 세계적인 권위의 생명공학 학술지 ‘네이처 바이오테크놀로지’(19일자)에 게재됐으며 국제 공인 유전자은행(GenBank) 데이터베이스를 통해 전세계에 공개될 예정이다. 이번 연구에는 이 교수팀 외에 바이오벤처기업 아이디알 인용호 박사,제노텍 김재종 사장,한국생명공학연구원 허철구 박사 등이 공동 참여했다. 맨하이미아균은 한우의 반추위에서 분리해 낸 토종세균으로 숙신산을 분비하는 특징을 갖고 있다.이 교수팀의 성과는 맨하이미아균의 게놈서열과 대사(代謝)과정을 정확히 분석해 냄으로써 순도높은 숙신산을 다량으로 추출할 수 있는 방법을 찾아낸 것이다. 호박산(琥珀酸)으로도 불리는 숙신산은 식품·의약품 첨가제,범용 화학물질 등으로 널리 활용돼 왔으며 최근에는 생분해성 고분자원료,차세대 청정용매 등으로 각광받으면서 시장규모가 급격히 커지고 있다. 숙신산을 포함한 전세계 유기산 시장 규모는 연간 10억달러에 이르며 해마다 10%씩 성장하고 있다. 이 교수는 “숙신산은 다양한 활용도 때문에 전세계적으로 저렴한 생산기술 개발경쟁이 이뤄져 왔다.”면서 “개발공정을 좀더 보완하면 맨하이미아균을 이용한 숙신산의 공장 대량생산이 가능할 것”이라고 말했다.이어 “소모적인 석유의존 기술을 상당부분 대체할 수 있는 환경친화적인 생명공학기술 개발에 매진할 계획”이라고 덧붙였다. 안미현기자 hyun@seoul.co.kr