생명연 "바이오파운드리로 '메탄→친환경 바이오소재' 전환"

국내 연구진이 바이오파운드리를 이용해 온실가스 주범인 메탄을 친환경 바이오소재로 전환하는 데 성공했다.

한국생명공학연구원은 국가바이오파운드리사업단 이승구 박사 연구팀이 산업적 활용이 가능한 바이오파운드리 자동화 실험 체계(워크플로)를 구축해 메탄을 친환경 바이오 소재로 전환할 가능성을 실증하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.

국내 연구팀이 '바이오파운드리 자동화 실험체계(워크플로)'를 구축해 메탄을 친환경 바이오소재로 전환할 수 있는 가능성을 실증하는 데 성공했다. (왼쪽부터) 이혜원 박사(공동교신저자). Georgii Emelianov(제1저자), 이승구 박사(연구책임자). 한국생명공학연구원 제공

바이오파운드리는 방대한 생물학적 데이터를 빠르고 쉽게 모을 수 있게 한다. 이를 인공지능(AI)과 연결하는 혁신 기술로도 발전하는 중이다.

'설계-제작-시험-학습' 사이클을 반복해 데이터를 모으고 AI의 분석과정을 거쳐 보다 나은 실험방법과 유전자 설계를 제시, 신소재·의약품·친환경 화학물질 등 바이오 제품 개발에 효율성을 높이는 방식이다.

연구팀의 실증 성공은 친환경 바이오 소재 생산을 위한 바이오 촉매와 인공 미생물 개발 기간을 단축하고 축적된 데이터를 AI 설계·분석에 활용할 수 있다는 점에서 의미를 갖는다.

예컨대 메탄은 대기 중 농도가 빠르게 증가하는 대표적인 온실가스다. 이산화탄소보다 84배 이상 강력한 온실효과를 야기하지만 이를 줄일 수 있는 자연적 흡수 경로는 매우 제한적이다.

하지만 연구팀의 실증처럼 메탄을 바이오소재로 전환하는 것이 가능해지면 이러한 문제를 해결하는 데도 한 걸음 가까워질 것으로 기대된다.

실증에서 연구팀은 먼저 확장형 반자동화 워크플로를 구축했다. 이 시스템은 레고 블록처럼 필요에 따라 간단하면서도 유연하게 수천 건 이상의 대규모 실험을 수행할 수 있게 한다.

또 단백질 설계 기술과 자동화 기술을 결합해 수백 종의 단백질 변이체를 빠르게 제작·평가하는 방법도 개발했다.

이를 토대로 샘플 준비, 유전자 조립, 미생물 도입 등 핵심 과정을 자동화 장비로 처리한 결과 실험 속도는 단계별로 최소 4배~최대 36배까지 빨라졌다. 같은 시간에 수행할 수 있는 실험 건수도 대폭 늘어나 연구 효율성을 획기적으로 높였다는 게 연구팀의 설명이다.

특히 연구는 이소프렌 합성 효소(IspS)를 개선하는 데 적용됐다. 이소프렌은 타이어, 접착제, 연료첨가제 등 전 세계 산업에서 널리 쓰이는 핵심 원료다. 하지만 기존의 효소는 제대로 발현되지 않거나 활성이 낮아 산업적으로 활용하는 데 제약이 컸다.

이에 연구팀은 바이오파운드리 워크플로로 효소 성능을 대폭 향상시켰다. 이 결과 효소의 반응 효율이 최대 4.5배 높아지고 열에 대한 안정성도 향상됐다.

특히 개량된 효소를 메탄 자화균에 도입했을 때는 메탄을 이소프렌으로 바꾸는 생산성이 크게 향상됐다. 이는 '온실가스 저감'과 '화학원료 자급'이라는 두 가지 산업적 과제를 동시에 해결할 수 있는 실질적인 기술 해법으로 평가받는다.

이 박사는 "이번 연구는 계산 설계, 자동화 실험, 대규모 데이터 검증을 통합한 '확장형 워크플로'를 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "앞으로 축적될 고품질 데이터는 AI 설계와 학습을 더욱 정밀하게 만들어 바이오 제조의 디지털 전환을 가속하는데 기여할 것"이라고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr