[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

메탄올은 천연가스뿐만 아니라 바이오매스, 이산화탄소 포집 기술 등을 통해 생산할 수 있는 대표적인 탄소 1개짜리(C1) 화합물이다. 가격이 저렴하고 액체 상태로 운송과 보관이 용이해 바이오 플라스틱, 연료 등을 생산하는 ‘C1 바이오리파이너리’의 가장 이상적인 원료로 평가받는다.

하지만 이를 대사하는 미생물(Methylobacterium extorquens AM1 등)에게 고농도 메탄올은 치명적인 독으로 작용한다. 메탄올은 세포막의 지질 구조를 붕괴시킬 뿐만 아니라 세포 내에서 포름알데하이드와 같은 반응성 높은 독성 중간체를 생성한다. 무엇보다 가장 큰 문제는 메탄올이 세포 성장에 필수적인 아미노산인 ‘메티오닌’과 화학적 구조가 유사하다는 점이다. 이로 인해 메티오닌 합성 효소가 메탄올을 원료로 오인하여 메톡신(O-methyl-L-homoserine)이라는 독성 물질을 합성하게 된다. 메톡신은 단백질 합성 과정에 침투하여 불량 단백질을 양산하고 세포 생존을 위협한다. 이러한 복합적인 독성 문제로 인해 산업 현장에서는 메탄올 농도를 1% 미만으로 유지해야만 했고 이는 전체 공정의 생산성을 떨어뜨리는 주요 원인이 되었다.

2.연구내용

본 연구팀은 선택압력을 주어 자연계의 진화 과정을 실험실에서 가속화하는 ‘적응실험실진화(ALE)’ 기법을 통해 이 문제를 해결했다. 연구팀은 야생형 균주(유전자변이가 일어나지 않은 대조균주)를 0.5% 메탄올 배지에서 배양하기 시작하여 균주가 환경에 적응할 때마다 메탄올 농도를 0.25%씩 단계적으로 높이는 방식으로 약 4개월(800세대) 동안 연속 배양을 수행했다. 그 결과, 최종적으로 2.5% 고농도 메탄올 환경에서도 생장이 멈추지 않고 야생형 대비 최대 1.68배 빠른 성장 속도를 보이는 진화 균주(Am01 등)를 확보했다.

연구팀은 이 진화 균주의 내성 향상 비밀을 풀기 위해 유전체(DNA), 전사체(RNA), 유전체 규모 대사모형(GEM)을 결합한 시스템 생물학 분석을 실시했다. 분석 결과 진화된 균주들은 공통적으로 메티오닌 합성 효소 유전자인 ‘metY’에 변이가 발생한 것으로 확인됐다. 연구팀은 이 변이가 효소가 메탄올을 기질로 잘못 인식하여 발생하는 부반응을 감소시키는 역할을 하며 결과적으로 독성 부산물인 ‘메톡신’ 생성을 억제함으로써 고농도 메탄올 환경에서의 생존력을 높이는 것으로 분석했다. 또한, 세포 내 칼륨 이온을 밖으로 배출하는 펌프 유전자인 ‘kefB’에서도 기능 상실 돌연변이가 발견됐다. 이는 고농도 메탄올 스트레스 상황에서 불필요한 양성자 구동력(PMF) 손실을 막아 에너지를 보존하는 전략이다.

나아가 전사체(RNA-seq) 분석을 통해 내성 향상 균주가 산화 스트레스 방어와 단백질 합성 관련 유전자의 발현을 높이는 등 세포 전체 자원을 생존에 집중시키는 ‘비상 경영 체제’로 전환되었음을 확인했다.

연구팀은 이러한 기작을 검증하기 위해 발굴된 변이들을 야생형에 다시 도입하는 ‘재현 검증(Reverse Engineering)을 수행했다. 그 결과, 두 변이(metY, kefB)가 동시에 도입되었을 때 각각의 내성 효과가 더해져(Additive) 최적의 성장 성능을 보임을 확인했다.

3.기대효과

이번 연구는 미생물이 극한 환경에서 살아남기 위해 ‘독성 물질 생성 억제’와 ‘에너지 보존’이라는 두 가지 정교한 전략을 동시에 구사한다는 사실을 시스템 수준에서 확인했다. 특히 이번에 발굴된 핵심 유전자 타깃(metY, kefB)과 진화 원리는 메탄올뿐만 아니라 포름알데하이드, 유기용매 등 다양한 스트레스 환경에 강한 미생물을 개발하는 데 적용될 수 있다. 이는 향후 바이오파운드리 기술과 접목되어 고농도 메탄올을 원료로 고부가가치 소재를 생산하는 C1 바이오리파이너리의 경제성을 획기적으로 높이는 원천 기술이 될 것이다.

[붙임] 용어설명

1.C1 바이오리파이너리 (C1 Biorefinery)

메탄, 메탄올, 일산화탄소 등 탄소 원자 1개로 이루어진 물질(C1)을 미생물의 먹이로 사용하여 바이오 플라스틱, 바이오 연료, 의약품 전구체 등 산업적으로 유용한 고부가가치 물질을 생산하는 친환경 공정 기술.

2.적응실험실진화 (Adaptive Laboratory Evolution, ALE)

미생물을 특정 환경(예: 고농도 독성 물질, 고온, 고염 등)에 장기간 지속적으로 노출 배양하여 자연적인 돌연변이를 유도하고 해당 환경에 적응된 우수 형질을 가진 개체를 인위적으로 선택·분리하는 실험 기법.

3.메톡신 (O-methyl-L-homoserine)

메탄올이 고농도로 존재할 때, 메티오닌 합성 효소가 본래 기질 대신 메탄올을 사용하여 만들어내는 부산물. 구조적으로 메티오닌과 매우 유사하여, 단백질 합성 효소가 이를 메티오닌으로 착각해 단백질에 잘못 끼워 넣게 된다. 이는 단백질의 3차원 구조 변형과 기능 상실을 유발해 세포 사멸을 이끄는 핵심 독성 요인이다.

4.양성자 구동력 (Proton Motive Force, PMF)

세포막을 경계로 형성되는 수소 이온(H+)의 농도 차이. 미생물은 이 힘을 이용해 에너지(ATP)를 합성하거나 편모를 움직인다. KefB 수송체가 닫히면 이 힘이 새어나가는 것을 막을 수 있다.

5.전사체 (Transcriptome)

특정 상황에서 세포 내 전체 유전자가 얼마나 발현되고 있는지를 나타내는 총체적 정보(RNA). 이를 분석하면 세포가 스트레스 상황에서 어떤 대사 경로를 끄고(예: 운동성 억제) 켰는지 파악할 수 있다.

6.유전체 규모 대사모형 (GEM, Genome-scale Metabolic Model)

대상 미생물이 가진 모든 대사 효소 유전자와 그에 따른 화학 반응식들을 수학적으로 연결해 컴퓨터상에 구현한 가상 세포 모델. 이를 이용하면 특정 유전자가 변형되거나 환경이 변했을 때 세포 내 물질의 흐름이 어떻게 바뀌는지 시뮬레이션할 수 있다.

7.시스템 생물학 (Systems Biology)

생명 현상을 개별 유전자나 단백질 단위가 아닌, 이들의 상호작용과 전체적인 네트워크 관점에서 통합적으로 이해하려는 학문 분야. 이번 연구는 유전체(DNA), 전사체(RNA), 대사모형(GEM)을 모두 결합해 분석했다는 점에서 전형적인 시스템 생물학 연구라 할 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 고농도 메탄올에서 1.68배 빠르게 증식하는 슈퍼 균주의 내성 유전자 변이

미생물의 metY 유전자에 발생한 변이는, 메탄올을 대사하는 과정에서 생성되는 독성 물질인 메톡신의 생성을 억제한다. kefB 유전자에 발생한 변이는 스트레스 상황에서 불필요한 에너지 소모를 줄이고, 절약된 에너지를 성장과 스트레스 방어에 재분배하도록 한다. 이러한 두 유전자 변이가 함께 작용하면서, 슈퍼 균주는 고농도 메탄올 환경에서도 빠른 증식이 가능한 내성 체질을 갖추게 된다.

그림2. 적응실험실진화를 통한 내성 향상 균주 확보와 시스템 생물학 분석 과정 적응실험실진화(ALE) 기법을 통해 초기 0.5% 메탄올 농도에서 시작하여 최종 2.5% 고농도까지 미생물을 순차적으로 적응시켰다. 이후 확보된 진화 균주를 대상으로 유전체(Genomic) 및 전사체(Transcriptomic) 분석을 통합적으로 수행하여, 메탄올 내성의 핵심 유전자 타깃(metY, kefB)을 발굴하고 검증하는 과정을 보여준다.

그림3. 고농도(2.5%) 메탄올 환경에서 진화 균주의 성장 성능 비교

야생형 균주(파란색)는 2.5% 고농도 메탄올의 독성을 견디지 못하고 성장이 억제되지만, 적응실험실진화(ALE)를 거친 진화 균주(붉은색)는 야생형 대비 최대 1.68배 빠른 속도로 활발히 증식했다. 이는 개발된 균주가 메탄올 독성을 극복하고 고농도 환경에서도 안정적으로 생장할 수 있음을 보여준다.