김선원 교수

석유 기반 화학합성 공정은 환경 부담이 크고 지속가능성이 낮아, 이를 대체하기 위해 미생물 대사경로를 재설계하여 친환경적으로 이소프레노이드를 생산하는 기술을 연구하고 있습니다. 핵심 기술로는 Nudix 계열 효소인 NudB 등을 개량하고 메발로네이트(MVA) 대사경로를 최적화함으로써 이소프레노이드 전구체 생산 효율을 높인 균주를 개발하는 방식을 적용하고 있습니다. 이러한 대사공학적 접근은 효소 활성 개선과 경로 흐름 재분배를 통해 목적 산물로의 탄소 흐름을 극대화하는 데 초점을 두고 있습니다. 개발된 균주 플랫폼은 바이오이소프렌 생산, 산탈렌 등 기능성 방향물질 생산, 터페노이드 및 스쿠알렌 생산 등 다양한 산업적 응용에 활용되고 있습니다. 현재 실험실 규모 검증 단계(TRL 4-5)에 있으며, 이소프레노이드 알코올 혼합물 생산 농도 2,027 mg/L를 달성하여 균주의 생산 성능을 입증했습니다.

고가의 기능성 화장품 원료인 레티놀 등 카로티노이드계 물질에 대한 수요가 증가하면서, 복잡한 생합성 경로를 미생물 내에 효율적으로 구축하는 기술의 중요성이 커지고 있습니다. 이를 위해 식물과 동물의 생합성 경로를 단일 미생물인 대장균(E. coli) 등에 통합하는 대사 재설계 기술을 핵심 방법론으로 적용하고 있습니다. 이러한 접근을 통해 서로 다른 생물종에 분산되어 있던 효소 반응 경로를 하나의 균주 안에서 연속적으로 작동시켜 카로티노이드 및 레티노이드 생합성 효율을 높이고 있습니다. 개발된 균주는 기능성 화장품 원료인 레티놀 생산, 라이코펜 등 카로티노이드 생산, 파이토엔 및 파이토플루엔 생산에 활용되고 있으며, 국내외 화장품 및 소재 전문 기업으로의 기술이전을 통해 협업이 이루어지고 있습니다. 실제로 미생물로부터 레티노이드를 생산하는 방법에 관한 특허 3건을 ㈜제노포커스에 기술이전하였습니다(2014). 연구 성과로는 레티놀 생산 단가를 1g당 15만원에서 4천원으로 97% 절감했으며, 라이코펜 55 mg/L 생산을 달성했습니다. 이를 통해 연간 약 1,300억원 이상의 경제적 파급효과가 기대되며, 현재 기술이전 및 상용화 단계(TRL 6)에 도달해 있습니다.

지역혁신과 더불어 축산 분야 메탄 배출과 같은 환경문제를 해결하기 위해 미생물 기반 세포공장 플랫폼을 구축하는 연구를 수행하고 있습니다. 핵심 기술로는 메탄자화균(Methanotroph) 기반 프로바이오틱스를 개발하고, 이를 대량으로 검증할 수 있는 바이오파운드리 자동화 기술을 적용하고 있습니다. 이 플랫폼은 항노화 바이오소재 산업 생태계 구축, 한우 프로바이오틱스를 활용한 축산 메탄 배출 저감, 대체육 신소재 개발 등 다양한 환경 및 산업 분야에 응용되고 있습니다. 한국생명공학연구원, 아미코젠, CJ제일제당, 종근당건강 등과 산학협력을 진행하고 있으며, 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 및 스탠포드대와 한-북미 바이오파운드리 IRIS 센터를 통한 글로벌 공동연구도 수행하고 있습니다. 연구 성과로는 세계 최초로 한우 트림 메탄 저감 실증에 성공했으며, 항노화 바이오소재 세포공장 지역혁신연구센터의 센터장으로서 연구를 총괄하고 있습니다. 현재 지역혁신 실증 단계(TRL 4-5)에 있는 플랫폼입니다.