일본산업뉴스요약

시아노박테리아를 이용해 에틸렌 생산
국내 대학들이 육성하고 있는 바이오 제조의 아이디어 1부

최근, 대학 등 공공 연구기관들이 바이오 제조에 관련된 다양한 아이디어를 시험하고 있다. 지난 8월 21~22일에 개최된 ‘대학 견본시(見本市) 2025~이노베이션 재팬’의 기술 시즈(Seeds) 전시에서도 바이오 제조 관련 연구들을 볼 수 있었다. 그 개요를 소개한다.

-- 시아노박테리아에 에틸렌 합성효소 주입 [메이조대학] --
효소발생형 광합성 세균인 시아노박테리아(남세균)에 식물 유래의 에틸렌 합성효소를 유전자변형기술로 주입하여 이산화탄소를 통해 에틸렌을 생산한다. 이 연구는 메이조(名城)대학 이공학부의 신도(神藤) 조교수와 메이조대학 농학부의 다무라(田村) 교수가 추진하고 있다.

두 사람이 개발한 시아노박테리아 SOC2 군집은 광합성으로 에틸렌의 근원이 되는 물질(SAM: S-아데노실메티오닌)을 생성, 이 SAM이 2개의 효소(ACS와 ACO)에 의해 에틸렌이 된다. 다만 그 수량은 실험실 수준으로도 매우 작아 이를 늘리기 위한 시도를 계속하고 있다.

그 중 한 방법이 2종류의 효소를 연속적으로 작용시켜 반응속도 및 효율을 늘리는 것. ACS와 ACO를 단백질로 연결한 효소복합체(SOC2)를 만들어 ACS에 의해 생긴 중간체(ACC: 1-아미노시클로프로판카르복실산)를 곧바로 ACO를 이용해 에틸렌으로 만드는 방법이다. 이것을 시아노박테리아에 도입한 결과, 반응효율이 3.7배(하루에 0.17mg/L)로 높아졌다.

이 때, 두 효소에 의한 반응은 각각 효율이 다르다. 두 번째인 ACO가 더 느리다. 그래서 효소복합체를 ACS 1개에 대해 ACO를 2개로 해본 결과, 반응효율이 2.4배 더 높아진 (하루에 0.41mg/L)가 되었다. 이 효소복합체(SOC4)에는 첫 번째 반응으로 생긴 부산물을 분해하는 효소 MTA도 넣었다. 이 부산물은 에틸렌에 이르는 반응을 저해하기 때문에 MTA로 제거하면 에틸렌 생성 효율이 향상된다.

더 나아가 ACS 1개에 대해 ACO 4개, MTA 1개를 넣은 효소복합체(SOC6)를 만들어 주입하면 이론적인 반응효율이 더 높아져 하루 만에 1.1mg/L를 얻을 수 있다고 한다.

-- 낫토의 끈적끈적한 성분을 플라스틱으로 사용 [고베대학] --
고베(神戶)대학 과학기술이노베이션연구과의 이시카와(石川) 조교수가 이끄는 연구팀은 낫토의 끈적끈적한 성분과 비슷하면서 결정성이 높은 폴리머를 고초균(枯草菌)을 통해 생산하는 방법을 개발하고 있다. 끈적끈적한 성분인 -폴리글루타민산(DL-PGA)은 글루타민산 분자가 길게 연결된 폴리머로, 광학이성질체(光學異性質體) L-글루타민산과 D-글루타민산으로 구성되어 있다. 이 폴리머를 L-글루탐산으로만 구성한 감마-L-폴리글루타민산(L-PGA)은 결정성이 높고 우수한 기계적 특성을 가지고 있다.

L-PGA는 생분해성 플라스틱으로 이용할 수 있으며, 높은 보습성을 지닌 형태로도 가능하다. 흡수체로 이용할 경우, 흡수량은 기존의 4배. 현재의 흡수체와 달리 소금이 존재하고 있어도 흡수 능력을 유지할 수 있다.

고베대학은 이 L-PGA를 효율적으로 생산할 수 있는 고초균 군집을 개발했다. 또한 세포를 길게 섬유처럼 연결할 수 있는 초섬유상화(超纖維狀化)세포에 의해 연속적으로 L-PGA를 생산할 수 있는 시스템 개발을 목표로 하고 있다.

현재, L-PGA는 호염성(好鹽性) 고세균에 의해 생산되고 있지만, 수확량이 적고(시간당 0.08 g/L), 가격도 높으며(50만 엔/kg), 분자량도 그다지 크지 않다(500만 정도). 고베대학이 개발한 고초균을 사용하면 분자량이 2,000만 이상의 L-PGA를 현재의 12.5배에 해당하는 시간당 1.0g/L로 만들 수 있다.

여기에 초섬유상화세포에 의한 발효기술을 조합하면, 시간당 3.0g/L의 생산효율을 실현할 수 있을 것으로 고베대학은 전망하고 있다. 초섬유상화세포는 세포가 분열할 때 두 세포 사이에 합성되는 세포벽이 용해되지 않도록 유전자를 조작한 세포가 사용된다. 이로 인해 세포는 분열해 늘어나지만, 물리적으로 독립하지 못하고 다수의 세포가 길게 연결된 형태가 되어 취급하기 쉬워진다.

고베대학은 향후, 개념 실증과 시험 생산을 추진해 2028년에 스타트업을 설립할 계획이다. 실용화에 있어서는 우선, 지금까지와 동일한 액체 배양에 의한 생산으로 화장품이나 의료 분야에 공급. 연속 생산 실현 이후에는 흡수체나 생분해성 플라스틱으로써의 응용을 추진해 나간다고 한다.

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