KAIST 이상엽 특훈교수팀, 가상 시뮬레이션 기반 효소 개량 통해 대장균 균주 개발붉은색. 게티이미지 제공[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 세계 최초로 미생물을 이용해 식용 붉은색 천연색소를 만들었다. 그동안 연지벌레에서만 얻을 수 있었던 천연색소를 미생물을 이용해 만들 수 있게 됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀이 식용 붉은색 천연색소인 카르민산을 생산하는 미생물 균주를 개발했다고 9일 밝혔다.

연구진은 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당을 단일 탄소원으로 사용해 카르민산을 생산하는 대장균 균주를 개발했다.

이상엽 특훈교수는 "연지벌레를 사용하지 않는 카르민산 생산 프로세스를 세계 최초로 개발했으며, 이번 연구는 특히 천연물 생산의 고질적인 문제인 효소 발굴과 개량에 대한 효과적인 해결책을 제시했다는 점에 의의가 있다"고 말했다. 이 교수는 또한 "이번 기술을 활용해 의학적 또는 영양학적으로 중요한 다양한 천연물을 고효율로 생산할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

카르민산은 붉은색 천연색소로 딸기우유, 사탕 등의 식품과 매니큐어, 립스틱 등 화장품 분야에서 널리 활용되고 있다.

카르민산은 연지벌레에서 추출해 얻는다. 이 연지벌레는 페루나 카나리아 등 한정된 지역에서만 재배할 수 있으며, 카르민산을 추출하기 위해서는 복잡하고 비효율적인 여러단계를 거쳐야 한다.

연구진은 포도당으로부터 카르민산을 생산할 수 있는 대장균 균주 개발 연구를 진행했다.

연구진은 우선 타입 II 폴리케타이드 생합성 효소를 최적화해 카르민산의 전 단계의 물질을 생산하는 대장균 균주를 구축했다. 하지만 남은 두 단계의 반응을 수행하기 위한 효소가 아직 발굴되지 않았거나 대장균 내에서 작동하지 않는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 생화학 반응 분석을 통해 카르민산 생산을 위한 효소 후보군을 선정했다. 그 후 세포 배양 실험을 통해 성공적으로 작동하는 효소들을 선정했다.

이렇게 선정된 효소 두 종에 대해 컴퓨터 기반 상동 모형 및 도킹 시뮬레이션을 수행 후 활성이 증대된 돌연변이 효소를 예측했다. 그 후 이에 기반을 둔 효소 개량을 수행함으로써 증대된 활성을 지니는 효소를 개발하는 데 성공했다.

연구진이 개발한 대사공학 및 가상 시뮬레이션 기반 효소 개량 전략은 생산경로가 규명되지 않은 다른 천연물의 생산에도 유용하게 쓰일 것으로 기대된다. 연구진은 이번 연구에서 개발한 C-글리코실 전이효소를 적용해 카르민산 뿐만 아니라 알로에로부터 생산 가능했던 미백제인 알로에신 생산에도 세계 최초로 성공함으로써 이를 증명했다.

이번 연구결과는 국제 학술지인 '미국화학회지'에 지난 2일자로 온라인 게재됐다.