바이오화학 활성화를 위해 대사공학 연구의 필요성이 대두되고 있다.
대사공학은 재조합 유전자 기술 도입을 계기로 특정 대사경로를 확대 혹은 제거하거나 기존의 미생물이 보유하고 있지 않은 이종 대사경로의 도입, 분자진화적 방법 및 조절 네트워크 제어에 의한 최적화 등을 통해 특정 대사물질의 생산을 극대화하거나 세포의 기능성을 향상시키는 기술로 최근 대두되고 있다.
특히, 바이오화학에서 생산성을 높여 제조코스트 절감에 가장 필요한 기술연구 학문으로 손꼽히고 있다.
바이오화학은 미생물을 이용해 화학제품을 생산하고 있으나 생산능력이 부족하고 많은 부산물이 발생해 분리·정제에도 높은 비용이 추가됨으로써 수율 개선을 위해 대사공학 연구에 집중할 필요성이 나타나고 있다.
수율 개선을 위해 효율적인 제조공정이나 분리공정을 개선했으나 미생물의 대사특성 자체를 조작하거나 최적화하기 어려워 기대 이상의 성과를 도출하기가 쉽지 않기 때문이다.
따라서 미생물의 대사회로를 조작함으로써 균주의 생산능력 및 특성을 근본적으로 개선하는 작업이 요구되고 있어 대사공학 기술 연구에 투자할 필요성이 높아지고 있다.
대사공학 연구는 대사회로 최적화, 합성생물 기술 진화, 대사흐름 분석 및 시스템 생물공학 기술 강화, 대사제어 네트워크 분석 및 조절기술 등에 집중하고 있다. 대사회로 최적화 기술은 아미노산, 항생제 등의 생산성을 높이는데 크게 기여해 바이오화학의 수율 개선에 일조하고 있다.
DuPont은 Genencor와 협력으로 생체분자 합성기술과 대사공학 기법을 이용해 바이오 플래스틱을 직접 생산함으로써 시장공략에 나섰으며, 특히 옥수수 전분으로 1,3-Propanediol을 저코스트로 생산하고 있다.
국내에서는 유전체의 대사흐름 분석을 통해 대사경로를 찾아 바이오제품 생산을 확대하고 있다.
미래창조과학부는 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽 교수팀과 <바이오리파이너리를 위한 시스템 대사공학 원천기술개발 과제>를 중심으로 대사공학 시스템 연구를 계속하고 있다.
이상엽 교수는 2015년 10월 말 화학제품을 미생물로 생산할 수 있는 시스템 대사공학 전략을 수립했다고 발표했다.
이상엽 교수는 “바이오화학은 공정개발에 수백억원에서 수천억원까지 투입함으로써 석유화학 공정에 비해 제조코스트가 높아 경쟁력이 뒤처지고 있으나 대사공학 시스템을 활용하면 획기적으로 제조코스트를 낮출 수 있을 것”이라고 주장했다.
최근 연구하고 있는 화학제품은 발린(Valine), 트레오닌(Threonine), 라이신(Lysine), 알지닌(Arginine) 등 아미노산과 1,4-Butanediol, 1,4-Diaminobutane, 1,5-Diaminopentane, 1,3-Propanediol, 부탄올(Butanol), 이소부탄올(Isobutanol), 숙신산(Succinic Acid) 등이다.
시스템 구축으로 미생물 숙주에서 자연적으로 합성되지 않으면 외부 유전자를 숙주 안에 도입해 대사회로를 구축함으로써 생산수율을 개선할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
대부분 연구실 수준의 5리터 리액터(Reactor)에서 검증하고 있으나 파일럿 수준인 1500리터 리액터에서도 생산이 가능해 대량생산 가능성을 일부 검증한 것으로 파악되고 있다.
하지만, 수백만톤을 생산하는 석유화학 공정을 대체하기에는 미흡해 상용화 기대감이 가시화되지 않고 있으며, 화학기업들이 대규모 투자로 상업화에 힘쓰지 않으면 바이오화학도 기술연구에 그칠 것으로 우려되고 있다.
국내시장은 GS칼텍스가 2015년 말 바이오부탄올(Bio-Butanol) 데모 플랜트를 가동하는 것이 전부이며 석유화학기업들은 바이오화학에 대한 관심이 전무해 대량 상업화가 불가능할 것으로 판단되고 있다.
시장 관계자는 “기술개발이 완료되고 대량생산을 통한 상업화까지 연구하기에는 한계가 있다”며 “매출과 직결되는 석유화학기업들이 직접 참여하지 않는 이상 바이오화학은 허울 뿐인 미래 투자에 그칠 것”이라고 주장했다.
국내 바이오화학 시장이 성장하기 위해서는 화학공학, 생명공학 등을 결합시키고, 특히 대사공학을 통해 미생물의 대사 시스템을 완벽히 제어함으로써 상용화 연구개발 투자를 유도해야 할 것으로 판단되고 있다. <허웅 기자>