Future Wave

대장균으로 석유를 만든다

46호 (2009년 12월 Issue 1)

식중독을 일으키는 ‘악성 세균’으로만 알려졌던 대장균이 바이오산업의 ‘총아’로 부상하고 있다. 이제 대장균은 ‘꿈의 화학 공장’으로까지 불린다. 과학자들은 조만간 대장균에서 석유를 대체할 연료는 물론 바이오 신약까지 만들어낼 전망이다.
 
사실 식중독을 일으키는 O157균이나 이질균 등을 제외한 대부분의 대장균은 사람에게 전혀 해롭지 않다. 대장균은 항온 동물의 대장에서 살며, 사람이 스스로 만들지 못하는 비타민K를 합성하고 병원균의 체내 정착을 막는다.
 
과학자들은 특히 대장균의 물질 합성 능력에 주목한다. 잘만 이용하면 ‘생물학적 공장’을 만들 수 있기 때문이다. 게다가 대장균은 몸 구조가 비교적 단순하고 다세대에 대한 연구를 단기간에 할 수 있으며, 다루기도 쉽다.(▶DBR TIP ‘대장균이 주목받는 이유’ 참조) 과학자들은 이미 오래전부터 대장균을 생명체의 신비를 밝히는 연구에 써왔다. 인류가 아는 생명과학 지식 중 거의 절반이 대장균에서 얻어진 것이다.
 
 
 
식중독균이 아닌 ‘꿈의 공장’
이상엽 KAIST 생명화학공학과 교수는 대장균을 이용한 화학물질 생산 공장과 관련한 연구를 하고 있다. 그가 이끄는 연구 팀은 시스템 생물학의 분석 기법과 합성생물학을 이용해 특정 물질을 생산하는 ‘유전자 재조합 대장균’을 만든다. 이런 대장균은 자연에 존재하는 유전자와 컴퓨터로 설계한 유전자를 재조합해 탄생하는 인공 균주다. 인공 대장균을 포도당 등 영영분이 풍부한 배양액에 뿌리면 원하는 화합물을 얻을 수 있다. 대장균은 세포 안의 화학 반응을 통해 배양액을 새로운 물질로 바꾼다.
 
이 교수는 이런 방식으로 나일론 원료인 푸트레신(putrescine)을 세계 최초로 합성하는 데 성공했다. 푸트레신은 전체 나일론 재료의 50%를 차지하는 물질이다. 이 연구의 의의는 산업 원재료를 화석 연료가 아닌 바이오 기반의 화학 공정으로 개발했다는 데 있다. 현재 산업 원료로 쓰이는 화학 물질은 의약을 제외하고도 시장 규모가 1800조 원에 이르며, 주로 화석 원료에 기반한 석유 화학 공정으로 생산된다.
 
영국의 세계적 학술지 <네이처>는 올해 9월 이 교수 팀의 연구 결과를 이례적으로 크게 소개했다.
 
‘세포 공장’에서 휘발유 생산
최근에는 대장균을 이용해 대체 연료를 만드는 연구도 활기를 띠고 있다. 2007년의 유가 위기로 바이오 에너지에 대한 전 세계적 관심이 높아졌기 때문이다. 유전자를 조작한 대장균은 포도당이나 설탕을 석유와 비슷한 탄화수소로 바꿀 수 있다.
 
실제로 미국의 바이오벤처 아미리스(Amyris Bio Technologies)는 대장균을 이용한 석유 생산 기술을 개발해 상용화를 추진 중이다. 이 회사는 합성생물학 기술로 대장균이 석유와 유사한 성질을 띠는 물질을 효율적으로 만들게 해주는 대사 회로를 설계했다. 짧은 막대 모양의 대장균이 만든 인공 석유는 물에 섞이지 않는 등 진짜 석유와 비슷한 성질을 가진다. 아미리스는 자동차 연료인 가솔린과 디젤을 대체하는 탄화수소 연료뿐만 아니라 비행기용 연료까지 개발했다. 아미리스의 ‘세포 공장’에서 만들어질 제트 연료는 기존 연로보다 어는점(기존 제트 연료: -40℃, 대장균 제트 연료: -57℃)이 훨씬 낮다. 또 더 높은 에너지 밀도를 가지고 있다.
또 다른 미국의 바이오벤처 LS9도 원유와 디젤에 가까운 기름을 만드는 인공 균주를 개발했다. 이들은 대장균이 세포막의 주성분인 지방산을 탄화수소로 만들 수 있게 했다. 지방산은 탄화수소의 말단에 카르복실기(-COOH) 하나가 붙은 구조다. 따라서 지방산에서 카르복실기를 떼어내면 탄화수소가 된다.
 
그런데 탄화수소 생산보다 더 어려운 것이 있으니, 바로 경제성 확보다. 유리컵 하나 분량의 배양액에서 고작 티스푼 하나 만큼의 연료가 나온다면 산업적으로는 쓸모가 없지 않은가. 위의 두 회사 역시 고품질의 바이오 연료를 더 경제적으로 생산할 수 있는 방법을 끊임없이 강구하고 있다.
 
아직까지 경제성에 문제가 있지만 일부 연구자들은 가까운 시일 안에 대장균이 바이오 에너지 생산의 상당 부분을 담당할 것이란 전망을 내놓고 있다. 탄화수소 연료가 바이오에탄올보다 훨씬 효율적이라는 점이 그 이유다. 탄화수소는 같은 부피의 에탄올보다 에너지를 30% 더 뿜어낼 뿐 아니라 생산비가 훨씬 낮고 제조 공정도 더 단순하다. 효모로 생산하는 에탄올은 배양액과 섞여 있어 물을 제거하는 정제 과정을 거쳐야 한다. 당연히 탄화수소를 만들 때보다 에너지가 65%나 더 들어간다.
 
게다가 에탄올을 이용하기 위해서는 ‘부식’이란 문제도 극복해야 한다. 자동차는 개조가 필요하며, 기존 송유 및 저장 시설도 교체해야 한다. 바이오에탄올 이용을 위해 미국에서만 32만km의 송유관을 교체하고, 주유소 17만 곳과 자동차 2억4300만 대를 개조해야 한다.
 
반면 미생물이 당분을 먹고 인공 석유, 즉 탄화수소를 만드는 과정은 매우 단순하다. 인조 대장균이 배출한 탄화수소는 물보다 비중이 가벼워 기름처럼 물 위에 뜬다. 이것을 거둬들이면 바로 연료로 사용이 가능하다. 탄화수소는 석유와 거의 같은 분자 구조를 갖춰 기존 차량과 시설에서 그대로 이용할 수 있다. 아울러 석유에서 나오는 발암 물질인 벤젠류와 유황이 없어 환경오염 문제를 유발하지도 않는다.
 
대장균으로 고무 생산도
대장균은 이밖에도 다양한 분야에서 활용되고 있다. 세계적인 타이어회사 굿이어는 고무나무에서 추출한 유전자를 대장균에 주입해 타이어 원료를 생산하는 방안을 추진 중이다.
 
영국 케임브리지대가 개발한 다색상 미생물은 세균에서 뽑아낸 색소 유전자를 대장균에 심은 것이다. 이런 기술을 이용하면 독극물과 반응해 색상이 바뀌는 생물학적 오염 경고 시스템을 만들 수 있다. 각종 비타민을 합성하거나 음식에 단 냄새를 풍기게 하는 이로운 대장균도 개발되고 있다.
 
한편 최근에는 대장균 이외에도 다양한 미생물이 여러 분야에서 활용되기 시작했다. 올해 미국 메사추세츠공대(MIT)가 개최한 시스템 생물학 경진대회(iGEM)에는 박테리아로 만든 풀과 효모로 만든 액정디스플레이(LCD)가 출품됐다.
 
 
DBR TIP 대장균이 주목받는 이유
대장균이 실험용으로 각광을 받는 이유는 무엇일까? 연구자들은 무엇보다도 세대가 짧아 진화 과정을 단기간에 살펴볼 수 있다는 점을 꼽는다. 일반적으로 동식물의 진화에는 최소 수만 년이 걸린다. 하지만 대장균의 경우 불과 20∼25분 만에 새로운 세대가 태어난다. 연구자들은 1만∼4만 세대의 진화 과정을 그리 어렵지 않게 관찰한다.
 
또 2000년대 들어 유전 정보를 대량으로 분석하는 기법(대용량 시퀀싱 및 오믹스 분석)이 도입되면서 대장균의 이용이 더욱 활성화됐다. 대장균의 염기서열을 알면 특정 유전자가 더 잘 발현되게 만들거나, 반대로 발현을 억제시킬 수 있게 된다. 적당한 위치에 기존 대장균에는 없는 다른 개체의 유전 정보를 심을 수도 있다. 이렇게 하면 대장균을 이용해 원하는 물질을 더 많이 생산하는 것이 가능하다. 이것이 바로 소위 시스템생물학이라고 하는 새로운 영역이다. 한국생명공학연구원의 김지현 박사는 “유전체 지도를 확보하게 됨에 따라 산업용 세포 공장을 맞춤형으로 만들 수 있게 됐다”고 말했다.
 
동아비즈니스리뷰 348호 The New Chapter, Web 3.0 2022년 07월 Issue 1 목차보기