눈 건강기능식품 원료 '루테인', 포도당서 대량 생산 성공

눈 건강기능식품 원료로 널리 알려진 '루테인'을 대량으로 생산할 수 있는 길이 열렸다. 기술 사업화도 추진 중이다.

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 루테인을 포도당에서 대량 생산하는 미생물 균주 개발에 성공했다고 13일 밝혔다.

루테인은 황반변성 및 백내장과 같은 눈 질환 예방에 효과적인 성분으로 알려졌다. 금잔화(메리골드)에서 추출한다. 그러나 이 식물은 재배기간이 통상 200일이나 걸리는데다, 추출 과정까지 노동력도 많이 투입된다.

설령 미생물 대사공학을 이용해 루테인을 생산하더라도 부산물이 많이 발생한다. 루테인 합성 대사특정 경로에서 '병목 단계'도 존재해 대량 축적에는 한계가 있다.

그러나 KAIST 연구팀이 이 같은 문제를 모두 해결했다.

우선 대사 경로에서의 병목현상 해소를 위해 전자 채널링 전략을 적용했다. 전자 채널링은 생체 내 또는 인공 생합성 시스템에서 특정 효소 반응을 보다 빠르고 효율적으로 일어나게 하기 위해, 전자가 효율적으로 이동하도록 경로를 제어하는 기술이다.

또 루테인을 만드는데 필요한 효소들을 최적화된 단백질 구조(스캐폴드) 시스템에 가깝게 배열했다. 이를 통해 효소 주변 재료(기질)와 전자 농도를 높여 루테인 합성 대사 흐름을 원활하게 했다.

또한 연구팀은 설탕처럼 흔한 포도당에서 루테인을 고효율로 생산할 수 있는 미생물 플랫폼을 구축했다.

이상엽 교수는 "바이오매스 주 원료인 포도당으로부터 친환경적인 바이오 기반 루테인 생산 가능성을 제시하는 중요한 성과"라고 자평했다.

연구팀은 초기 연구 대장균을 숙주로 활용해 루테인 대량 생산을 시도했으나, 이에는 그람음성 세균인 내독소(LPS)로 인해 식품 및 의약품 원료로 적합하지 않다는 판단에 따라 이를 포기했다.

이어 찾은 방안이 미식품의약청(FDA)에 안전원료로 등재된 'GRAS' 균주인 코리네박테리움 글루타미쿰이다.

코리네박테리움은 내독소가 없다. 인체에 안전한 균주로 인정받아 식품 및 의약품 산업에서 활용 중이다. 또 고밀도 배양이 가능하고, 산업적 발효 공정에 최적화된 미생물로 대량 생산에 적합한 특성을 갖는다.

연구팀은 코리네박테리움으로 54시간 만에 1.78 g/L의 루테인을 생산하는 데 성공했다. 이는 시간당 32.88 mg/L의 생산성을 나타냈다.

이상엽 교수는 "기존 식물이나 미세조류에서 루테인을 추출하는 기존 방식보다 훨씬 빠르고 효율적인 생산방법"이라고 부연 설명했다.

논문 공동제1저자인 은현민 연구생(박사과정)은 “미생물 기반 루테인 생산의 병목을 해소하고 산업적으로 경쟁력 있는 친환경 공정을 확립한 사례”라며, “향후 루테인을 포함한 다양한 천연물 생산 기술의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

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