GM Microorganism

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그럼 눈으로도 보이지 않는 많은 미생물을 눈으로 볼 수 있는 형태인 미생물

콜로니로 단일종에 대한 순수배양을 이루어 낸 사람은 누구일까요? 바로 파스

퇴르입니다. 파스퇴르가 오늘 날과 같은 미생물 순수배양을 이루어 낸 후 지금

까지 이제 미생물연구의 역사는 150여년 정도 된다고 할 수 있습니다.

이제 미생물이 살고 있는 곳을 알아봅시다. 미생물은 어디에 있을까요? 미생물은

이 지구상 구석구석 어디든지 살고 있습니다. 미생물은 이 지구상 어는 곳이나

존재합니다. 우리 몸속에도 수많은 미생물이 살고 있고 우리 주변 모든 곳에서

미생물이 살고 있습니다. 우리의 몸은 세포로 이루어져 있는데 약 60-100조

정도가 된다고 알려져 있습니다. 그런데 우리몸속 미생물의 수는 이 세포들의

수보다 10배 이상 많다고 알려져 있습니다. 그러므로, 인간의 삶을 미생물과 별개로

생각할 수 없으며, 인간의 삶은 미생물과 불가분의 관계에 있다고 할 수 있습니다.

그런데 학자들은 지구상에 존재하는 이런 많은 미생물들 중에서 인간이 분리

하고 순수배양 할 수 있는 비율은 전체 미생물의 1%도 되지 않는다고 추정하고

있습니다. 그래서 미생물은 새로 발굴하고 연구하고 개발하여야 할 무궁무진한

미지의 분야가 남아있다고 볼 수 있습니다.

앞에서 인간은 미생물과 더불어 살고 있다고 했는데. 우리가 그 동안 생각해온

미생물은 보통 건강에 해를 주는 병원균만을 떠올려 왔고, 그래서 미생물이라면

더럽고 위험한 것이라는 인식을 가져왔습니다. 그러나 우리가 먹고 있는 많은

발효음식 속의 유산균, 비타민 등의 생산균주, 환경정화에 이용되는 미생물 등

우리에게 유익한 많은 미생물들이 있습니다. 즉, 미생물은 인간에게 유익한 면과

유해한 면 양면을 가지고 있습니다.

지금부터는 미생물의 분류에 대해 알아보겠습니다. 미생물은 원핵미생물과

진핵미생물 두 분류로 크게 나눌 수 있습니다. 원핵미생물은 핵산을 둘러싸고

있는 핵막이 없고, 핵산이 세포질 내에 존재하는 것으로 대부분이 단세포로 이루

어져 있으며, 세균, 고세균, 남조류 등이 여기에 포함됩니다. 이와 대응되는 진핵

미생물은 막으로 둘러싸인 핵을 가지고 있으며 곰팡이, 효모 등이 여기에 해당

됩니다. 각 분류군의 대표적인 미생물 종류에 대해서 알아보도록 합시다.

먼저 세균(Bacteria)입니다. 세균은 그 모양에 따라 구균, 간균, 나선균 등으로

구분되고, 그람염색반응에 따라 그람양성균 또는 그람음성균으로 나뉠 수 있습

니다. 또한 산소 요구도에 따라 호기성세균과 혐기성세균, 그리고 통성혐기성

세균으로도 나뉠 수 있습니다. 광합성을 하는 미세조류인 남조류도 분류학적

으로는 세균에 포함됩니다. 다음은 고세균(Archaea)입니다. 고세균은 핵이 없는

원핵미생물이지만 세균과는 많은 차이점을 보여주고 있습니다. 그래서 일반적

으로 고세균과 비교하여 세균을 진정세균이라고 부르기도 합니다. 보통 고세

균은 높은 온도, 높은 압력, 높은 염도 등 극한환경에서 잘 자라고, 메탄생산

등 아주 오래전의 지구와 유사한 환경으로 추정되는 환경에서 자라는 종이 많기

때문에 고세균이라는 이름을 갖게 되었습니다. 특이하게도 고세균은 분자생물

인간의 삶과 함께한 미생물 연구의 과거, 현재 그리고 미래

한국생명공학연구원 미생물자원센터 이정숙

미생물이란 단어의 한자어를 보면 微(작을 미)生(날 생)物(만물 물)로 풀이되며 아주 작은 생물이란 뜻으로 실제로 너무

작아서 맨눈으로는 볼 수 없습니다. 미생물의 발견은 현미경의 발견과 밀접하게 관련되어 있습니다. 미생물은 네덜란드

사람인 안톤 반 레벤후크(1632-1723)에 의해 단식현미경으로 최초로 관찰되었으며, 오늘 날에는 전자현미경을 통한 세밀한

관찰이 가능하게 되었습니다. 그러므로 미생물연구의 발전은 현미경이라는 장비의 발전과도 깊은 관련이 있다고 할 수

있습니다.

GM Microorganism Microorganism

미생물의 존재가 발견된 1673년으로부터 약 340년이 흐른 현재

우리는 다양한 분야에서 미생물을 활용할 뿐만 아니라 유전자

변형기술을 활용해 미생물로부터 유용한 물질을 생산하거나

나아가 바이오연료, 바이오플라스틱 등을 개발해 석유자원의

고갈에 대비하고 있으며, 환경오염, 기후변화 대응 등 인류가 직면

하고 있는 문제들을 해결하고자 미생물에 대한 연구개발을 진행

하고 있습니다. 최근 국내연구진이 대장균의 유전자를 변형해

가솔린을 생산한 연구가 네이처지에 게재되어 국내외 언론의

주목을 받기도 하였습니다. 바이오세이프티에서는 미생물의

이용역사와 최근 주목 받고 있는 GM미생물의 연구개발 분야를

정리해 보았습니다.

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학을 통한 계통분류학적 관점에서 보면 세균보다는 진핵생물에 가깝습니다. 또한 고세균은 세균과

비교했을 때 세포벽의 구성도 차이를 보이고, 세포막의 지질 구성도 다른 점을 보이고 있습니다.

이제 진핵미생물인 효모(Yeast)와 곰팡이(Mold)로 넘어가 보도록 하겠습니다. 효모는 우리에게는

전통발효식품인 막걸리와 같은 주류발효의 주균으로서 널리 알려져 있고, 곰팡이는 실같은 균사체의

본체를 가지고 있는 사상균을 말하는데, 효모, 버섯과 함께 분류학적으로 보면 균류(Fungi)에 속합

니다.

미생물은 우리가 살고 있는 어는 곳이나 살고 있으며, 인간의 삶과 밀접한 관계를 가지고 있습니다.

이런 미생물에 대한 연구의 역사는 병원성 미생물에 대한 대응책을 찾는 것에서 시작되었다고 할 수

있습니다. 우리는 미생물과 관련된 질병에 대해서 많이 듣게 되는데, 결핵(Mycobacterium tuberculosis),

페스트(Yersinia pestis), 탄저(Bacillus anthracis), 콜레라(Vibrio cholerae), 위궤양(Helicobacter

pylori), 폐렴(Streptococcus pneumoniae), 장티푸스(Salmonella typhi), 충치(Streptococcus mutans)

등 인간의 많은 질병이 병원성 미생물과 관련되어 있습니다. 이런 병원성 미생물을 없애기 위한 치료제

개발을 위해서는 병원성 미생물의 안전한 관리와 그를 통한 활발한 연구가 필요합니다.

병원성 미생물을 억제하기 위한 다양한 연구를 통해 항생

물질이 개발되어 이용되어 왔습니다. 우리가 잘 알고 있는

페니실린이라는 항생물질은 푸른곰팡이가 생산하는 것입

니다. 1885년 파스퇴르는 병원균의 독성을 약화시켜 주사

하면 약화된 병원균에 대해서 우리 몸에서는 면역력이 생성

된다는 것을 알아냈습니다. 이 원리를 기반으로 광견병,

소아마비, 홍역, 풍진 등 다양한 질병에 대한 예방접종법이

개발되었고, 오늘 날 인간은 많은 병원성 질병에 걸리지

않고 건강하게 살아갈 수 있는 혜택을 입고 있습니다.

이처럼 미생물 상호간의 시너지 또는 억제기작 연구를 통해

다양한 질병치료제 개발 연구가 진행되어 왔고 현재 진행

되고 있으며 앞으로도 진행될 것 입니다. 최근 들어 항생

제내성을 가진 슈퍼박테리아의 출몰과 그에 대한 치료제 개발에 많은 관심이

모아지고 있습니다. 이 연구를 위해서는 해를 입히는 유해균과 그를 억제할 수

있는 유익균 또는 유익물질에 대한 연구가 필요하며 양쪽 그룹의 미생물들에

대한 체계적인 관리도 필요합니다.

이제 인간에게 도움이 되는 유익한 미생물에 대해서 알아보겠습니다. 오래전

부터 동서양에서는 발효식품을 먹어왔습니다. 서양에서는 치즈나 요구르트 등

발효식품을 만들어 왔고, 동양에서는 나라마다 다양한 발효식품을 먹어왔습니다.

우리나라의 대표적 발효식품인 김치, 된장, 젓갈 등에는 유산균과 같은 많은

유익한 미생물들이 작용하여 맛있는 발효가 일어나는 것입니다. 옛날에는

자연적인 발효음식을 만들어 먹었지만 오늘 날에는 품질관리를 위해서도 우수한

발효미생물 종균을 개발하여 좋은 품질의 발효식품을 생산하고 관리하려는

연구가 이루어지고 있습니다. 빵, 와인 등을 만드는 효모는 발효식품 산업의

주요 균주입니다. 또한 효모 그 자체가 단백질원으로서 가축의 사료로 이용

되기도 합니다. 그 외에도 항생물질, 비타민 등 유용물질을 생산하는데도 미생

물은 널리 이용되고 있으며, 폐수처리 등 환경오염의 생물학적 복원에도 많은

미생물복합체가 이용되고 있습니다.

또한 미생물의 유기물 분해 능력은 지구상의 모든 물질순환에 주요한 역할을 하고

있습니다. 남조류는 녹조현상과 같은 환경문제와 깊은 관련을 가지고 있어서 최근

핫이슈로 떠오르고 있는 녹조, 적조 연구도 미생물 연구와 밀접한 관계를 지니고

있습니다.

최근에는 전 세계적으로 빠른 산업화로 인한 석유자원 소비증가로 고유가가

지속되고 있어 석유자원의 고갈이 예견되고 있으며, 전 지구적인 문제로 인식되고

있는 기후변화에 효율적으로 대응하기 위하여 국가 간 협력체계를 강화하고

있습니다. 에너지 및 환경에 대한 범지구적 규제강화로 석유자원을 대체할 수

있는 연구에 대한 관심이 증가되고 있고, 따라서 산업에서 석유가 담당하는

부분을 재생가능한 자원인 바이오매스로 대체하려는 바이오리파이너리(Bio-

refinery) 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 미국은 생물자원을 이용한

바이오에너지 관련 연구를 추진하고 있는데, 특히 Zymetis는 해양 습지에서

다당류 다중 분해 미생물인 Saccharophagus degrans를 분리하여 바이오에너지

생산을 통해 높은 기업 가치를 평가받고 있고, 생물연료 전문회사인 Verenium은

페니실린이라는

항생물질은 푸른곰팡이가

생산하는 것입니다.

1885년 파스퇴르는 병원균의

독성을 약화시켜 주사하면

약화된 병원균에 대해서

우리 몸에서는 면역력이 생성

된다는 것을 알아냈습니다



Celunol과 Diversa가 합병하여 재탄생되었는데 생물다양성을 기반으로 산업용

효소를 발굴, 생산하고 있으며, 특히 바이오에탄올 등 연료산업용 효소 개발에

주력하고 있습니다. 또한 생태계 내에서 미 발굴된 새로운 미생물 또는 이들의

유전자를 발굴하는데 분자생물학적 기술의 적용이 발달하면서, 난배양성 미생물

및 유용 미생물유전자를 발굴하는데 분자생태모니터링 기술이 발전하고 있고,

이들 기술을 통해 유용자원 및 유전자를 이용하여 바이오산업의 발전에 크게

기여할 것으로 예상되고 있습니다.

이런 다양한 연구에 널리 활용되는 미생물은 대장균(Escherichia coli)입니다.

대장균이 가지고 있는 플라스미드(plasmid)라는 원형 DNA를 이용한 유전자재조합

기술로 다양한 유전학 실험과 유용물질 생산이 이루어지고 있습니다.

이외에도 다양한 미생물의 유전자재조합체를 산업미생물균주로 이용하여

비타민, 아미노산, 항생물질, 산업용 효소, 바이오플라스틱, 기능성화장품, 바이오

에탄올, 바이오매스에너지 생산 등 바이오산업이 발전하고 있습니다. 최근에는

시스템 대사공학을 통하여 고효율 유전자재조합미생물 균주를 개발하려는

연구가 진행되고 있으며, 개발된 균주는 다양한 바이오리파이너리 연구에

활용될 것으로 기대되고 있습니다.

지금까지 살펴본 것처럼 미생물은 유해균 또는 유익균의 양면을 가지고 우리

삶과 밀접하게 관련되어 있습니다. 현재 우리는 사스, 조류인플루엔자, 슈퍼

박테리아 등 많은 새롭게 출몰하는 감염질병에 맞서 싸우기 위해 다양한 연구

노력을 집중하고 있습니다. 또한 에너지고갈, 기후변화, 식량부족 등 당면한

문제 해결을 위한 대표적인 후보로서 다양한 미생물자원을 발굴하고 개량하여

이용하려는 연구를 지속하고 있습니다. 인간의 미생물 연구 및 이용의 역사는

과거 발효식품부터 현재의 바이오산업균주를 거쳐 미래의 석유대체자원으로

그 영역을 확대해 나갈 것입니다. 과거 미생물의 연구와 이용으로 페니실린이

제2차 세계대전의 역사를 바꾸어 놓았듯이 인간의 풍요로운 삶의 질을 높여줄

미래의 블루오션으로서의 미생물연구와 이용의 새로운 역사가 펼쳐지기를

기대합니다.

미생물산업의 발전과 유전자변형미생물의 응용

KBCH

01. 미생물 산업의 시작

김치, 된장, 포도주, 맥주, 치즈 등 세계 각국에서는 전통적인 발효식품을 애용

해오고 있습니다. 이 발효식품들은 미생물의 존재가 밝혀지기 이전부터 이용

되어 왔지만 현미경의 개발을 통한 미생물의 존재 확인과 1864년 파스퇴르에

의해 발효와 부패가 자연적으로 발생하는 화학적 현상이 아닌 미생물에 의해

일어난다는 사실이 발견된 이후 미생물을 산업적으로 이용하고자 하는 움직임이

시작되었습니다.

미생물 산업은 미생물이 생산하는 효소를 식품에 이용하면서 발전해 왔습니다.

1984년 다케미네 조키치가 코오지 배양법을 통해 곰팡이에서 생산되는 아밀라

아제의 상업화에 성공하면서 대량생산이 가능하게 되었고 20세기에 들어서면서

미생물의 효소를 피혁가공, 맥주생산 등에 이용하는 등 산업적 수요가 증가

하였습니다. 미생물의 산업적 수요가 점점 확대됨에 따라 연구개발과 투자가

활발히 이루어지기 시작했습니다.

미생물산업 증대에 가장 중요한 사건은 1929년 알렉산더 플레밍의 페니실린의

발견을 꼽을 수 있습니다. 우연한 계기를 통해 포도상구균을 기르던 페트리

접시에서 푸른곰팡이가 피었고 곰팡이 주변의 포도상구균이 깨끗하게 녹이 있는

모습을 발견하였습니다. 이후 연구를 통해 곰팡이가 생산하는 어떤 물질이 강력한

항균작용을 나타낸다는 점을 확인했고 곰팡이가 페니실리움(Penicillium)속에

속했기 때문에 페니실린이라 이름을 붙였습니다. 페니실린은 포도상구균 외에도

여러 종류의 세균에 항균작용을 나타냈고, 플레밍의 페니실린은 발견이후 하워드

플로리, 언스트 체인의 연구 끝에 임상실험을 거쳐 인간에게도 사용할 수 있게

되었습니다. 이후 1950년대 산업적 생산을 위해 10만 리터 규모의 대형 발효조에서

페니실린을 생산하는 푸른곰팡이를 대량생산하기 시작하면서 미생물의 대형

산업화의 전환이 이루어 졌습니다.

포도상구균을 기르던 배지에서 곰팡이가

떨어진 부분 주위로 포도상구균이 녹아

있다(상). 플레밍은 푸른곰팡이(하)에서 나온

물질이 포도상구균을 죽였다고 추정했다.



02. 미생물 산업의 발전

미생물산업의 발전을 활용기술과 생산물질 등의 요인으로 구분하여 보면 5

세대의 구분이 가능합니다(표1). 미생물 기술의 효시라고 할 수 있는 대용량의

발효조를 이용해 액체 상태에서 미생물의 효소를 생산하는 것을 제1세대 미생물

기술의 발전 단계의 시작으로 보고 있습니다.

제1세대 제2세대 제3세대 제4세대 제5세대

연대 ~1960년대 1960~1985 1985~2000 2000~2012 2012~

핵심전환기술 심부배양법 고정화기술 비수계 반응 유전체, 오믹스 인공세포

생산기술 심부배양 유가식배양 재조합균주 발효 화학합성, 표면발현 합성생물학

자원 곰팡이 세균 세균, 곰팡이 유전체(인실리코) 유전체정보

반응기술 화분식 연속식 비수계 특이반응기 생체모방

사용기질 천연 천연, 반유기합성 천연,유기합성 유기합성 생체합성

응용분야 식품, 항생제 정밀화학 특수화학 기기분석용 모든산업

표1_ 미생물 산업의 발전 (Biosafety Vol.11 No.1 유전체 시대의 미생물_오태광)

제1세대에서는 바실러스 서브틸리스(bacillus subtilis)를 액체에서 배양하여

아밀라아제를 생산하는 기술을 개발(1908)한 이후 제2차 세계대전을 전후

하여 심부배양법(Submerged fermentation)에 의해 효소를 대량생산하는

기술이 정립되어 미생물 산업에 중요한 분야로 대두되었습니다. 제2세대

에서는 보다 안정적이고, 높은 활용성의 효소를 생산하기 위해 효소 고정화

기술(Immobilization)에 성공하고 효소 고정화 반응기를 이용해 고과당 시럽을

생산하는 등 식품산업을 포함한 정밀화학제품의 생산에 미생물이 이용되면서

시작되었습니다. 이시기에는 세제용 효소의 시장이 급신장하였고 효소를

막으로 둘러싸는 마이크로캡슐(Microencapsulation)기술이 개발되어 초기 효소

세제 사용 시 지적된 피부염, 알레르기 반응 등의 악영향요소를 해결함에 따라

사용량이 급격이 증가하였습니다. 제3세대부터는 신물질을 생산하는 GM미생

물이 등장하였습니다. 주로 특정 유전자를 대장균, 효모 등의 미생물에 도입하

거나 유전자가 변형된 미생물을 발효에 이용함으로써 효소나 의약용 단백질을

보다 효율적으로 생산하고자 한 것입니다. 이 시기에는 진단, 정밀화학 분야의

시장이 폭발적으로 발전함에 따라 의약, 펄프 및 폐수처리, 섬유, 동물사료

분야에서 미생물의 이용이 획기적으로 증가하는 특이점을 보였습니다. 또한

미생물 효소를 화학반응에서 화학촉매를 대신하여 사용하기 시작해 카이랄

중간체(Chiral intermediates)와 항생물질중간체 제작, 탄수화물에 기반한

의약품 개발, 신물질의 효소 적합성, 고분자화합물의 합성 등에 다양하게 사용

되었습니다. 이런 용도의 미생물 자체 또는 미생물이 만든 효소를 ‘생촉매

(Biocatalysts)’라 명명하게 되었으며 미생물 산업에 신규 분야로 등단하고 있습

니다.

제4세대는 유전정보를 바탕으로 발현과정을 예측하는 세대라 할 수 있습니다.

미생물 헤모필루스 인플루엔자(Heamopillus inflenzae)의 유전정보가 완전히

서열화된(1996) 이후, 2000년대에 들어서면서 미생물의 유전체 해독 능력이

급격히 증가하였습니다. 제1~3세대까지 미생물 대사산물(Metabolic)의 합성에

중요한 효소를 생육시킨 생물체에서 분리해 생산한데 비해 제4세대에 들어서

면서 해독된 미생물의 유전정보에서 다양한 효소 또는 대사공정을 사전에

탐색할 수 있는 시스템이 보편화 되었습니다. 또한 오믹스(Omics)1１)기술을

응용한 대량분석 기술을 바탕으로 대사공학기술이 발전하였으며 아미노산

비타민 등의 중요한 산업소재를 대량생산할 수 있는 미생물이 개발되어 상당이

많은 산업적 유기합성 공정이 미생물 공정으로 대체되기도 하였습니다. 제5세

대에 이르러서는 바이오-나노융합기술로 유전체 해석 수준이 향상되었으며

이미 산업적 정립단계에 들어선 게놈혼합기술, 분자진화기술 및 분자생물 공정

기술들은 인공생명체를 탄생시키려는 노력으로 발전하고 있습니다. 이러한 인공

세포를 이용해 자연적인 미생물보다 효율성이 월등히 높아진 산업용 미생물의

개발이 가능해졌고 미생물의 용도가 바이오부품(Biobricks), 인공세포(Artificial

cell)과 같은 신개념의 합성생물학(Synthetic biology)분야에 응용되면서 의학,

식품, 당류, 분석, 세제, 섬유, 펄프, 동물용, 화학 및 화장품 이외에 에너지 등

에도 광범위 하게 사용되는 바이오리파이너리(Biorefinery) 분야까지 확대되고

있습니다.

１) 오믹스(Omics) : 특정 세포 속에 들어 있는 생리현상과 관련된 대사에 대한 대량의 정보(전사체, 단백질체,

형질체 등)를 통합적으로 분석하여 생명현상을 밝히는 학문　



바이오리파이너리 시스템은

석유에 대한 의존도를

낮추고 온실가스 배출 등의

환경오염을 감축 시킬 수 있다

는 점에서 주목받고 있으며

순환시스템으로 지속가능하다는

점에서 그 중요도가 높아지고

있습니다

03. 유전자변형미생물의 활용분야

1973년 스탠포드대학의 코헨과 보이어 박사가 유전자변형기술을 최초로 개발한 이후 최초의 유전자변형대장균(이하 GM

대장균)이 개발되었고 1978년 인간의 인슐린 유전자가 삽입된 GM대장균에서 인슐린을 제조하는데 성공하고 1982년 미국

FDA가 유전자변형기술을 활용한 인슐린 생산을 승인하는데 이르렀습니다. 이후 치즈를 만드는데 사용되어왔던 우유를

응고시키는 효소 키모신을 송아지 위가 아닌 GM대장균에서 생산하게 되어 치즈 생산량이 증가하게 되었습니다. 1993

년에는 몬산토社에서 소의 성장호르몬(BST)를 유전자변형미생물(이하 GM미생물)을 통해 생산하고 식품의약국(FDA)의

허가를 받으며 유전자변형미생물의 개발과 이용이 가속화 되었습니다. 현재에 이르러서는 효소뿐만 아니라 미생물이나

동·식물, 인간의 유용한 유전자를 미생물을 매개체로 하여 생산하고 있습니다.

1) 대사공학

미생물 대사공학(metabolic engineering)은 유전자변형기술과 생물공학적 기술을

이용하여 대상 미생물에 새로운 대사회로를 도입하거나 기존의 대사회로를 제거,

증폭, 변경시켜 산업적으로 유용한 방향으로 변경하는 일련의 기술로 고부가가치

식품소재를 생산할 수 있는 경제적이면서도 환경 친화적인 미래기술로 부각되고

있습니다. 기존의 미생물 개량기술이 연구자의 직관에 의존한 몇 개 효소유전자의

형질전환과 과다발현에 의존한 반면, 다양한 대사공학기술의 개발로 미생물을

단순한 세포가 아닌 미생물세포공장(Microbial cell Factories)으로 이용하는

것입니다.

미생물 대사공학기술은 식품소재 산업에 활발히 이용될 것으로 예측되고 있으며

현재 아미노산, 유기산, 리코펜(ycopene)을 포함한 카르티노이드(carotenoides) 등

다양한 소재생산을 위한 기술개발이 진행 중입니다

구분 생산물 활용 미생물

당알콜

설탕대체 감미류

Xylitol Candida 효모 재조합 S. cerevisiae

Erythritol C. magnoliae M26

Manntitol

Sorbitol

L. plantarum

L. lactis

2차 대사산물 및

조효소

약품, 화장품 원료

식품과 사료 첨가물

Carotenoid 재조합 대장균

CoenzymeQ10

효모, Rhodopseudomonas sphaeroides

Agrobacterium tumetaciens

Vanillin E. coil의 대사공학적 접근

비타민

Folate

VitaminB12

Pseudomonas denitrificans

Bacillus megaterium

Propionibacterium

Riboflavin 세균, 효모, 곰팡이류

아미노산

L-glutamate

L-lysinC. glutamicum의 대사공학적 접근

Serine C. glutamicum의 대사공학적 접근

저칼로리당

Prebiotic

Tagatose L. lactis

Trehalose Propionibacterium

유기산

Lactic acid

Carnobacterium, Enterococcus, Lactobacillus,

Lactococcus, Leuconostoc, Oenococcus,

Pediococcus, Streptococcus, Tetragenococcus,

Vaogococcus, Weissella

Succinic acid

Anaerobiospirillum succiniciproducens

Actinobacillus succinogenes

E. coil NZN111

E. coil AFP111

표2_ 대사공학을 활용한 식품소재의 생산

2) 바이오리파이너리

바이오리파이너리(Bio-q)는 오일리파이너리(Oil-refinery)를 대체하기 위한

새로운 개념으로 기존의 석유 자원으로부터 생산하던 에너지, 연료, 부가가치

화학제품 등을 재생 가능한 바이오매스로부터 생산하는 총체적인 시스템을 말

합니다. 바이오리파이너리 시스템은 바이오매스가 기존의 석유자원을 대신하기

때문에 석유에 대한 의존도를 낮추고 온실가스 배출 등의 환경오염을 감축 시킬

수 있다는 점에서 주목받고 있으며 폐쇄적인 시스템이 아닌 순환시스템으로 지속

가능하다는 점에서 그 중요도가 높아지고 있습니다.

바이오리파이너리 생산품을 만들기 위해서는 석유를 대신하는 바이오매스 자원과

바이오화합물 및 바이오에너지를 생산하는 기술이 필요한데 바이오리파이너리

기술은 열화학적인 방법이나 물리화학적 방법도 응용되지만 미생물을 이용한



합성생물학은

생명 구성 요소와 분자조절

기구들을 조합하여

목적에 맞게 변형시키거나

시스템을 디자인하고,

창출하는 연구 분야 입니다

발효 방법이 주를 이루고 있습니다. 특히 미생물을 이용한 바이오에너지 에너지

및 바이오화합물 생산기술은 대사공학 및 시스템생물공학을 기반으로 하는

균주개발이 중요한데 유용 생물소재와 대량생산을 위해 인위적으로 세포의

대사과정을 조절하는 기술입니다.

다양한 바이오매스를 통해 바이오에탄올, 바이오부탄올, 바이오화합물 다양한

아미노산, 유기산들이 생산되고 있으며 각 바이오매스의 특성에 따라 유전자가

변형된 다양한 GM미생물들이 이용되고 있습니다. 또한 기존의 공정에서의 생산

효율을 높이거나 기존의 미생물들이 가지고 있지 않은 대사경로를 활용하기

위하여 미생물의 유전자를 변형하는 연구들이 진행되고 있습니다.

3) 합성생물학

합성생물학(Synthetic biology)은 자연계에 존재하는 생명 구성 요소와 분자조절

기구들을 다양한 방식으로 조합하여 인간 목적에 맞게 효율적인 시스템으로

변형시키거나 생물학적 부품, 디바이스 또는 시스템을 디자인하고 창출하는 연구

분야로 지난 10여 년간 유전자변형이 상대적으로 쉽고 분자생물학적 지식이 가장

많이 축적된 대장균이나 효모 같은 미생물에서 주로 이루어져 왔습니다.

합성생물학을 통해 원하는 입출력을 가진 유전자회로 설계도를 그리고 잘 규명된

생물학적 부품유전자, cis-regulatory element, riboswitch, transcription factor

등을 변형 및 조합하면 다양한 기능을 수행하는 미생물 로봇을 만들 수 있다.

유전자회로를 재설계하면 미생물이 주위 균체농도를 인식하여 공간패턴(spatial

pattern)을 만들거나 빛을 감지할 수 있게 하고 자외선에 반응하여 Biofilm을

만들거나 자살 혹은 암세포를 죽일 수 있도록 프로그래밍 할 수 있습니다.

이처럼 다양한 기능을 수행하는 균주의 제작에는 다양한 종류의 생물학적

부품들이 요구되며 다양한 기능의 생명체를 보다 쉽게 만들 수 있도록 생물학적

부품들의 표준화가 진행되고 있습니다. MIT에서 운영하는 ‘Registry of standard

biological parts’ (http://partsregistry.org)에서는 ribosomal binding site,

유전자, RNA antiswitch 등의 단일 부품인 ‘part’, part로 이루어진 입출력

장치인 ‘device’, 그리고 여러 device로 이루어져 특정 기능을 수행하는 ‘system’

의 세 단계로 생물부품들을 분류 하고 있는데 각 생물소자에 대해서는 기능과

함께 동특성 정보도 제공하고 있어, 원하는 부품을 마치 회사 카탈로그에서

고르고 이들을 연결하는 방식으로 새로운 균주를 만들 수 있습니다. 미생물의

대사경로(metabolic pathway)를 이용하면 기존의 유기합성법으로는 얻기 힘든

입체화학적 특이성(stereochemical specificity)을 갖는 저분자뿐 아니라 플라스틱

에탄올 등의 범용 석유화학제품을 친환경, 저비용 공정으로 생산할 수 있는

장점이 있습니다.

04. 언론을 통해본

다양한 유전자변형미생물 연구

앞서 설명한 기술들과 유전자변형 미생물의 이용분야 이외에도 많은 연구들이

진행되고 있습니다. 미생물의 활용을 위한 미생물의 유전체 연구에서부터

미생물의 대사경로 이해를 바탕으로 부산물의 이용, 나아가 백신개발, 환경정화

등 다양한 분야에서 유전자변형 미생물을 활용한 연구가 진행되고 있습니다.

국내 언론과 한국바이오안전성 정보센터에서 수집하고 있는 국외 유전자변형

미생물 연구를 정리해 보았습니다.

1) ‘단백질 생산공장’ 대장균 설계도 규명

연세대 시스템생물학과 김지현 교수는 한국생명공학연구원 윤성호 선임연구원,

한국과학기술원 이상엽 특훈교수 연구팀과 함께 대장균 B와 K-12 두 종의

유전체, 전사체, 단백체, 형질체 등 각종 생체정보를 바탕으로 대사 과정 설계도를

해독한 뒤 컴퓨터 모델링으로 재구성해 두 균주의 특성을 재분석하는 연구를



진행했습니다. 연구팀은 이렇게 유전자 암호(DNA)가 메신저RNA(mRNA)로

복사돼 단백질 공장(리보솜)에 전달되고 여기서 만들어진 단백질들이 각종 대사

회로를 통해 여러 생명현상으로 나타나는 전 과정을 컴퓨터 시뮬레이션으로 재

구성해 확인하였습니다. 실험을 통하지 않고 컴퓨터로 다양한 대사경로를 시뮬

레이션하고 선택적으로 실험을 진행할 수 있게 되어 연구 효율성을 높일 것으로

전망되고 있습니다.

2) 유전자변형 대장균에서 가솔린 생산

KAIST 생명화학공학부 이상엽 교수 연구팀에서는 대장균이 지방산을 합성하도록

촉진한 뒤 효소로 지방산을 조각내는 방법으로 사슬길이가 짧은 탄화수소 지방산을

만드는데 성공해 네이처지에 연구결과가 소개되었습니다.

미생물은 살아가는데 필요한 세포막을 형성하거나 에너지원으로 사용하기 위해

미량의 지방산을 합성합니다. 지방산은 탄소 수가 13~17개인 탄화수소 사슬모양과

탄소수가 4~12개인 짧은 탄화수소 사슬모양 두 종류가 있는데, 미생물은 긴

탄화수소 사슬모양만 만들어 내는 특성이 있습니다. 연료로 사용되는 디젤이나

가솔린은 탄화수소 화합물로 구성되며 디젤은 긴 사슬모양인데 비해 가솔린은 짧은

사슬모양인 특징이 있습니다. 연구팀은 대사공학을 이용해 대장균에서 지방산

합성을 촉진한 뒤 새롭게 발견한 효소로 대장균의 탄화수소 사슬을 짧게 끊어내고

추가적인 대사반응을 가하는 등의 3단계 공정을 거쳐 가솔린으로 전환하는데

성공하였습니다. 대장균의 먹이가 포도당이라는 점에서 이 연구는 앞으로 새로운

에너지원인 바이오매스 활용으로 이어질 전망입니다.

3) 보다 뛰어난 백신을 이끄는 GM미생물

텍사스대학의 연구진들은 독감, 백일해, 콜레라, HPV 와 같은 여러 전염병에 대한

백신의 효과를 높여 줄 수 있는 61종의 GM미생물을 개발했습니다. 연구팀이

개발안 GM대장균은 사람의 면역반응을 높이기 위해 백신에 추가되는 성분이

항원보강제 역할을 할 수 있다고 합니다. 지난 70년간 백신의 항원보강제는 알루

미늄 염이 이용되어 왔으나 알루미늄 염이 백신의 효과를 높여주지만 어떤 방식

으로 작용하는지 완전히 이해되지 못하고 있으며 몇 가지 단점도 가지고 있었

습니다. 연구진의 GM미생물 개발은 이를 해결할 가능성을 열어준 것입니다.

연구팀은 유전공학을 이용해 대장균의 표면에 내독소를 매우 다양한 형태도 발현

하도록 만들었으며 실제로 이 대장균 균주들은 콜레라 백신, 백일해 백신, HIV

백신의 효과를 높이는 결과가 있었습니다. 연구진은 이번 연구가 생물학적 항원

보강제를 한 단계 발전시켜 백신의 효과를 보다 높여줄 것이라고 기대하고 있

습니다.

4) 폐기물을 연료로 전환시키는 유전자변형 미생물

MIT 연구원들은 농업폐기물이나 도시폐기물 등 거의 모든 탄소원을 이소분탄

올로 전환시킬 수 있는 유전자변형미생물을 개발했습니다. Ralstonia eutro-

pha로 불리는 이 미생물은 스트레스를 받으면 성장을 멈추고 모든 에너지를

복잡한 탄소화합물을 만드는데 집중하는 경향을 자기고 있는데 과학자들은 이

미생물의 유전자를 변형해 휘발유를 대체하거나 휘발유와 혼합해 사용할 수

있는 이소부탄올을 생산하는 균주를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있습

니다. 현재는 탄소원으로 이산화탄소를 이용할 수 있어 배기가스를 연료로 전환

시키는 방안을 고려하고 있으며 시스템을 최적화해 생산속도를 높이고 산업용

규모의 바이오리액터를 디자인하는데 주력하고 있습니다.

5) 유독성 증기를 정화하는 유전자변형미생물

중국 과학자들이 공기 여과기에 유전자변형미생물을 이용해 오염된 공기의 독성

살충성분이 포함된 증기를 제거하는 연구결과를 2011년 ‘International

Journal of Environment and Pollution’에 발표하였습니다. 연구팀이 이용한

미생물은 식중독을 일으키는 미생물로 잘 알려진 E. coli O157:H7 대장균으로

신장에 손상을 일으켜 사망에 이르게 하는 미생물로 다양한 생물학적 연구에서

모델 생물체로 이용되고 있는 미생물 입니다.

과학자들은 기존의 농업용 화학물질보다 작물보호에 3배 이상의 효과를 내지만

환경에 축적되기 때문에 사람의 건강을 위협할 수 있는 파라치온과 메틸 파라

치온과 같은 유기인산염 살충제를 제거하는 공기 여과기에 유전자변형된 E.

coli를 이용할 수 있다고 발표하였으며 중국 과학원의 연구팀은 GM E. coli

BL21에 기초한 바이오필터를 이용하여 파라치온을 95.2%, 메틸 파라치온을

98.6%나 제거하는 효율을 입증한 바 있습니다.



유전자변형생물체를

개발하는 과정에서 인체 및

환경위해성에 대한

시험평가를 진행하고 있으며

안전관리계획에 따라 이를 개

발하거나 이용하는

연구시설 및 생산공정시설에

대한 안전관리를 시행하고

있습니다.

05. 유전자변형미생물의

산업적 이용을 위한 안전관리

GM미생물의 산업적 이용에 따라 대두될 수 있는 안전성 문제는 두 가지로 살펴

볼 수 있습니다. 하나는 GM미생물의 개발이나 산업화 과정에서 나타날 수 있는

안전성 문제이고 다른 하나는 GM미생물을 활용해 생산한 고분자 및 저분자

물질의 허가화 사용에 관한 제품의 안전성 문제입니다. 이 두가지 안전성 문제는

이미 국내외 적으로 주목하고 있는 문제로 이에 대해서는 법적 규제체계가 마련

되어 있거나 마련중에 있습니다.

우선 유전자변형생물체를 개발하는 과정에서 인체 및 환경위해성에 대한 시험

평가를 진행하고 있으며 안전관리계획에 따라 이를 개발하거나 이용하는 연구

시설 및 생산공정시설에 대한 안전관리를 시행하고 있습니다. 특히 2012년 개

정된 「유전자변형생물체의 국가간 이동 등에 관한 법률(LMO법)」에서 이를 규

정하고 있는데 ‘생산공정이용시설의 설치 허가 등(제22조의3 및 제22조의4)’

GM미생물을 생산공정 중에 이용하는 시설을 설치하려는 자는 관계 중앙행정

기관의 장으로부터 허가를 받거나 관계 중앙행정기관의 장에게 신고를 하게 하

였으며 GM미생물을 생산공정시설에 이용하려는 경우에는 관계 중앙행정기관

의 장으로부터 승인을 받도록 한 것입니다. 또한 미생물 생산물의 허가와 사

용에 관한 제품의 안전성 문제를 살펴보면 미생물이 생산한최종제품은 정밀화

학소재용 특수 기능성 효소, 혁신적인 발현시스템을 기반으로 한 유전자재조

합의약품 등의 고분자 물질이 될 수 있으며, 또한 대사과정이 재설계된 고기능

성 미생물을 이용한 유용 대사산물 등의 저분자 물질이 될 수 있습니다. 이러한

고분자 및 저분자의 미생물 생산물을 제품으로 산업화하기 위해서는 최종제품

및 그 원료에 대한 안전성 검증이 필요하며, 이는 그 제품의 용도와 출처에 따

라 법적으로 반드시 수행하여야 할 항목이 결정되어 있습니다.

18 BioSafety vol.14 no.3 2013


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