차세대바이오매스연구단(ABC)은 2010년 과학기술정보통신부 산하 글로벌프론티어사업의 일환으로 설립되었으며, 미세조류를 활용하여 바이오연료 및 소재 생산기술과 시스템을 개발하고 있습니다. 화석연료 사용에 따른 기후변화에 대처하는 동시에, 지속적인 에너지 공급원 개발 및 정밀화학소재 확보를 통한 국가 에너지자립과 탄소순환에 초점을 맞추고 있습니다. 우수한 미세조류 종을 선정하여 배양, 수확, 추출, 연료전환, 부가산물 이용기술 등을 포함하는 독립적인 세부 기술 개발뿐만 아니라 각 세부 기술을 유기적으로 결합한 통합공정 실증에 이르기까지 포괄적으로 프로젝트를 수행하고 있습니다.
다양한 환경 조건에서 최적 미세조류 배양시스템을 통한 바이오매스 자원을 확보하며, 오믹스 기반 고 생장, 고 지질 특성 미세조류를 개량하여 바이오 디젤 생산 산업용 미세조류를 확보합니다. 생리, 생태적 특성을 기반으로 여러 스트레스 환경에서의 반응 및 적응인자를 단백질체 수준에서 규명하여 생장 및 배양을 최적화합니다. 지질대사 및 유용물질 합성 경로, 전사인자, 생장 촉진 인자를 규명합니다. 유전체와 전사체 분석을 통해 Microalgal system biology 기틀을 마련하고, 미세조류 형질전환을 최적화합니다. 최종적으로, 유전체/오믹스 데이터베이스를 구축합니다.
바이오연료 생산을 위한 미세조류 대량 배양, 수확, 오일 추출 및 전환 공정에 더하여 지질추출 후 잔사 바이오매스 이용 및 최적화 기술을 개발합니다. 보다 구체적으로는, 한국형 대량배양 시스템 구축, 바이오매스 대량 생산 기술, 저에너지형 수확 기술 및 배양/수확 연계 공정, 지질 추출 및 촉매/효소 전환을 통한 바이오항공유, 그린디젤 생산 기술, 잔사 바이오매스 당화 공정 개발 및 이용 기술, 미세조류 기반 바이오 리파이너리 분야의 생산성과 효율 향상 및 탄소 저감을 위한 최적 생산경로를 연구합니다.
미세조류 유래 바이오매스의 전환을 통한 효율적인 기반(platform) 화학 소재 및 스마트 (smart) 생물소재 생산을 위해 대사경로를 합성하고, 내성 증대 등을 통해 우수한 능력을 가진 균주를 개발하며, 각 생산 균주들에 적합한 맞춤식 대량 생산 원천 기술도 함께 연구합니다. 우수한 촉매를 이용하여 효율적인 바이오매스 전환기술을 개발하고 미생물 대사공학 기술, 촉매 공정기술, 바이오매스 생산/전처리 공정 간의 융합을 통해 최종적으로 탄소순환형 차세대 바이오매스 전환 원천기술을 확립합니다.
미세조류의 유전자교정기술을 개발하고, 광합성 및 전사인자관련 유전자들의 엔지니어링을 통해 산업용 미세조류의 품종개량을 성공적으로 완료하였습니다. 가장 진보된 유전자교정기술인CRISPR RNP기술을 Chlamydomonas 종의 유전자에 적용하여 세계적으로 우수성을 인정받았습니다. 산업용 균주인Chlorella와 Nannochloropsis에서 최초로 안테나 축소 및 새로운 광합성 색소 도입을 통해 미세조류 광합성 효율을 증진하고, 전사인자공학을 통해 바이오매스의 지질생산성을 향상시켰습니다. 해당 연구 성과는 2016 – 2017년 사이 Scientific reports 와 Journal of Applied Phycology 등 저명한 학술지에 다수의 논문으로 게재되었습니다.
미세조류 유래 그린디젤 및 바이오항공유 개발을 위한 전 공정 (배양, 수확, 추출, 전환, 품질테스트 등)에 관련된 최신 기술을 적용하고 실증하여 향후 기술개발 방향을 설정했습니다. 우수 균주인 Aurantiochytrium을 종속영양조건에서 배양, 수확을 통해 지질을 추출하였으며, 부산물 중 하나인 DHA를 분리 및 정제하는 전 과정을 실증했습니다. 전 과정에 대해 전세계 최초로 경제성 분석을 수행하여, DHA 유래 오메가-3의 생산량에 따라 바이오항공유가 석유 기반 항공유에 비해 가격경쟁력이 있다는 결론을 냈습니다. 향후 바이오항공유의 상용화 및 산업화 방향 설정 시 중요한 기준이 될 것으로 기대됩니다.
미세조류의 일종인 Aurantiochytrium 바이오매스로부터 얻은 트리글리세라이드를 바이오항공유로 전환하는데 필요한 새로운 수첨분해 촉매를 개발하였으며, 최대 수율은 55 wt%로, 기존에 보고된 세계 최고 수준 (세계 최대 석유기업인 UOP에서 명시한 수율은 40 – 45 wt %)보다 훨씬 높은 수치를 보입니다. 생산된 바이오항공유는 국제 표준 (ASTM D7566)의 모든 성질을 만족합니다. 바이오항공유는 상용화된 석유 기반 항공유에 최대 50%까지 혼합하여 사용할 수 있기 때문에, 미래에 점점 강화될 CO2 배출규제, 즉 탄소배출권에 대응하는 데 효과적일 것으로 예상됩니다. 또한, 원유 수입 없이도 항공유를 직접 생산할 수 있다는 점에서 군사안보적 가치도 크다고 할 수 있습니다.
타이어 제조 시 프로세싱 오일 (processing oil)로 사용되고 있는 석유계 오일을 친환경적인 미세조류 오일로 대체하여 타이어 트레드용 고무 컴파운딩 기술을 개발했습니다. 미세조류 벌크 (bulk) 오일을 대량으로 사용할 수 있다는 점에서 혁신적인 발견이며, 이렇게 제조된 고무 컴파운드를 사용한 타이어의 물성은 기존 석유계 오일을 사용했을 때보다 우수했습니다. 기존 석유계 프로세싱 오일을 천연 오일로 대체하는 연구는 주로 곡물 기반의 1세대 바이오매스 위주로 이루어졌으나, 본 연구단에서는 미세조류 기반의 3세대 바이오매스를 이용했다는 점에서 차별성이 크다고 할 수 있습니다. 미국 및 유럽 선진국들의 친환경 정책에 대응할 수 있으며, 장기적으로는 미세조류 산업의 확장 가능성을 보여줍니다.
3-hydroxypropionic acid (3-HP)는 바이오매스에서 생산 가능한 고부가가치 플랫폼 화학 물질의 일종이며, 세계 시장규모는 약 11조원에 달합니다. 플랫폼 화학물질이란 그 자체로 혹은 여러 화합물로 전환돼 다양한 용도로 사용 가능한, 화학물질계의 줄기세포와 같다고 할 수 있습니다. 3-HP에서 간단한 탈수반응을 거치면 아크릴산을 제조할 수 있으며, 이는 페인트의 원료와 기저귀 소재로 주로 쓰입니다. 뿐만 아니라 고분자 피막, 가교제, 금속 윤활제, 섬유 정전기 방지제 등 용도가 다양합니다. 본 연구단은 글리세롤로부터 3-HP를 생산하는 효율적인 미생물 균주 및 공정을 개발하였으며, ㈜노루홀딩스에 관련 기술과 특허를 이전하고 파일롯트 규모로 3-HP를 생산하기 위해 협력연구를 진행하고 있습니다.
인간의 모유에만 존재하는 Fucosyllactose를 고농도로 생산할 수 있는 생합성 미생물 공장화 기술을 개발하였으며, 미세조류 당화액에 존재하는 fucose를 원료를 사용함으로써 미세조류 기반 바이오리파이너리의 경제성을 확보했습니다. Fucosyllactose는 프리바이오틱스 효과 (장내 유익한 박테리아의 생장을 돕는 난소화성 성분으로써 프로바이오틱스의 영양원이 되어 장내 환경을 개선하는데 도움), 감염예방, 면역력 증강, 두뇌발달 등 우수한 특성을 갖는 미래 건강소재입니다. 대사공학을 이용하여 개량한 균주를 500 L 수준의 발효기에서 배양했을 때, 모유 올리고당에서 가장 많이 함유된 2-fucosyllactose와 3-fucosyllactose를 세계 최고 수준의 효율로 대량 생산할 수 있었습니다.
미세조류의 지질 제거 후 잔여물(residue)의 고부가 활용을 위해 이에 대한 가수분해 및 전처리 후 발생되는 결과물(output)로부터 fucose만을 고순도 연속 분리회수 해낼 수 있는 simulated moving bed (SMB) 공정을 개발했습니다. 기존의 fucose 분리정제는 모두 회분식 모드에 기초한 저효율 공정이었으며 분리 순도와 수율 모두 낮은 편이지만, 새롭게 개발된 공정은 연속식 모드에 바탕을 둔 고효율 공정으로 분리 순도와 수율 모두 높은 수준이며, 특히 순도가 100%에 근접한 수준으로 세계 최초의 fucose 분리공정 사례입니다. 연구단은 이 기술을 토대로 2017년 퓨코스 시약에 한정된 통상실시권을 국내 바이오 기업인 '㈜다인바이오'에 기술이전 한 바 있습니다. 그리고, 2년이 지난 2019년 5월, 화장품, 건강기능식품 더 나아가 의약품 생산을 목표로 추가적인 기술이전을 체결 했습니다. 특히, 이번 기술협약에서는 기술 용도 또는 적용 제품에 따라 단계별로 총 22억의 기술사용료를 지불하는 '마일스톤' 형태를 택했습니다. 이에 따라 다인바이오는 기초적인 생리활성 연구를 다양화해가며 적용 가능분야에 대한 심층적 연구를 통해 사업화 전략을 수립해 나갈 예정입니다.
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