기획특집 생물학적 CO
－ 2
전환기술미세조류를 이용한 이산화탄소의 생물학적 저감
최 승 필ㆍ심 상 준 †
성균관대학교 화학공학과Reduction of CO
2
by Biological Process using MicroalgeSeung Phill Choi and Sang Jun Sim †
School of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon 440-746, Korea
Abstract: 에너지 수요가 계속 증가하는 상황에서 온실가스 배출로 인한 지구온난화가 심각한 문제가 되고 있다. 이에 전세계는 이산화탄소를 저감하기 위한 친환경적인 기술 개발에 주력하고 있다. 지구온난화에 의해 발생한 가스는 미세 조류를 이용하여 생물학적으로 저감할 수 있다. 본 논문에서는 최근에 발표된 미세조류 세포를 이용한 이산화탄소 고정 화에 관한 기반연구와 동시에 진행될 수 있는 이산화탄소의 생물학적 전환에 관하여도 살펴보았다. 유전공학 기법을 이 용하여 이산화탄소 고정화 효율이 높은 미세조류 균주를 개발하고 바이오매스의 대량 배량법과 부가적으로 고부가가치 의 물질 생산한다면 산업적으로 큰 이익을 가져다 줄 수 있는 차세대 기술이 될 것으로 전망한다.
Keywords: CO2 fixation, microalgae, photoreactor, global warming
1. 서 론
1)
전 세계의 에너지 수요가 점차 증가하고 있 는 상황에서 화석연료 사용에 따른 온실가스 배출로 인한 지구온난화 등의 지구 환경적인 문제가 심각하게 대두되었다. 이에, 선진국에 서는 국가 주요 프로젝트의 하나로 온난화 가 스를 원료로 유용물질을 만드는 기술에 주목 하고 특히 이산화탄소를 저감하는 경제적이고 환경친화적인 기술을 다양하게 개발하여 폭넓 게 연구하고 있다. 우리나라는 에너지원을 95%
이상 수입에 의존하고 있으며 대부분은 화석 연료이며 경제발전과 더불어 매년 온실가스의 배출량이 증가하고 있는 실정이다. 따라서 우 리나라도 CO 2 저감기술을 개발하여 기후변화 협약과 탄소배출권 확보에 적극적으로 대응할 필요가 있다.
이산화탄소를 처리하는 기술은 두 가지가 있는데 흡수, 흡착 막에 의한 분리법과 화학적
†
주저자 (E-mail: [email protected])혹은 생물학적 고정화법으로 나누어진다. 이산 화탄소의 생물학적 고정화법이란 미세조류와 같은 광합성미생물을 이용하여 온실가스에 포 함되어 있는 이산화탄소를 저감하는 기술이다 (Figure 1).
생물학적 고정화는 자연계 물질순환의 원리 를 이용하는 환경 친화적인 방법이며 공정이 상온ㆍ상압에서 이루어진다는 기술적 장점이 있다. 미세조류를 이용하는 생물학적 고정화법 은 화학적 고정화법과 달리 연소가스로부터 CO 2 를 분리하지 않고 직접 적용할 수 있으며 태양에너지를 주 에너지원으로 활용하므로 CO 2
처리에 필요한 에너지 소모량이 적다. 또한 육
상식물에 비해 이산화탄소 고정화 속도가 매
우 높아 소요되는 부지 면적이 작다는 장점도
있다[1]. 더군다나 적은 초기 투자비용과 운전
비용으로 바이오매스 및 고부가가치의 생활성
물질을 부가적으로 생산한다는 경제적 장점은
산업적으로 큰 이익을 가져다 줄 수 있어서
차세대 기술로 유망하다.
Figure 1. 이산화탄소의 생물학적 고정화와 생전 환 공정.
앞에 기술한 바와 같이 미세조류를 이용하 는 CO 2 고정화 기술은 많은 장점을 갖고 있어 활발하게 연구되고 있다. 그러나 생물학적 CO 2
고정화 기술을 실제 현장에 적용 가능한 기술 로 개발하기 위해서는 해결되어야 할 몇 가지 문제점도 있다.
첫째 산업체에서 배출되는 연소가스로부터 직접 CO 2 를 고정화하기 위해서는 연소 가스를 직접 공급하는 조건에서 생육이 가능한 미세 조류 균주의 확보가 필요하다. 즉 연소 가스 중 CO 2 농도는 약 10∼20%로 일반 미세조류 종이 생육하기에는 너무 높은 농도이다(일반 미세조류 종은 약 5% 이하의 CO 2 농도 조건 에서 생육 가능하다). 또한 연소 가스 중에는 미세조류의 생육 활동에 대해 독성 효과를 갖 는 SO x , NO x 등이 포함되어 있어 연소가스를 직접 미세조류 배양 반응기에 공급하면 미세 조류의 CO 2 고정화 활성에 치명적인 영향을 미치는 것으로 보고되어 있다.
둘째 미세조류를 이용한 CO 2 생물학적 고정 화 공정은 화학적 고정화법에 비해 효율이 상 대적으로 낮고 처리속도가 느려서 CO 2 를 단기 간에 대량 처리하기는 어렵다는 문제점이 있 다. 따라서 일정 규모의 CO 2 고정화 공정을 설치하기 위해서는 공정의 규모가 대단히 커 지게 된다. 또한 일반 생물 반응과는 달리 미 세조류에 의한 CO 2 고정화 공정은 빛을 필수 에너지원으로 하는 광합성 반응이어서 공정의 CO 2 제거 생산성을 높이고 공정의 규모를 줄
이기 위해서는 반응기 내부에 빛의 효율적인 공급이 필요하다. 따라서 고속 CO 2 고정화용 광 생물 반응기의 개발이 중요하다.
셋째 CO 2 를 고정화하는 과정에서 생산된 미 세조류가 적절하게 활용되지 않을 경우 또 다 른 폐기물의 생산이라는 문제점도 있다. 그러 므로 미세조류를 이용하여 CO 2 를 저감시키는 생물학적 고정화법을 고도 하수처리기술이나 고부가 유용물질로 전환하는 기술 등과 융합시 켜 장기적 관점에서 적은 비용으로 CO 2 를 대 량 처리할 수 있는 기반 기술들을 확보하여야 한다. 고부가 유용물질로 전환하는 기술에 대 해서는 많은 연구가 진행되었다. 즉 미세조류 의 사료화, 디젤 연료화, 가스화 후 메탄올 생 산, 생분해성 고분자 물질인 PHB 생산, 또는 건축 자재화하여 영구 고정화 하는 방안 등에 대해 타당성 검토가 완료 또는 진행되고 있다.
지구온난화에 의해 발생한 가스는 미세조류 를 이용하여 생물학적으로 저감될 수 있다. 본 논문에서는 미세조류의 생리적 특성, 미세조류 에 의한 CO 2 고정에 영향을 미치는 세포내외 적인 요인들을 살펴보고 CO 2 의 경제적 생전환 에 적합한 미세조류를 생물공학적으로 개발하 기 위한 기반 기술과 유전공학적 연구결과에 관하여 살펴보기로 한다.
2. 미세조류의 CO
2
농축 기작미세조류는 식물체가 지니는 모든 장점을 가지고 있으며 세포 생산성이 높다. 또한 미세 조류는 고등식물과 거의 동일한 광합성 기작 을 가진다. 액상 성장하거나 콜로니를 형성할 수 있는 섬유상 단세포로서 마이크로 단위 크 기의 간단한 세포구조를 지니고 있다. 세포 내 생체 에너지는 분화된 세포구조를 유지하기보 다는 광합성하거나 성장하고 재생하는 데에 치중된다. 세포 내 단백질 함량은 건조중량의 30∼50%이다.
CO 2 고정화 과정의 첫 단계인 C3 경로
(Calvin cycle)를 촉매하는 RUBISCO (ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase)는 car- boxylase 활성과 oxygenase 활성을 동시에 지 니고 있으며 광합성 생물마다 약간씩 다른 형 태로 존재한다. 이 두 가지 활성은 RUBISCO 의 활성부위 근처에서의 CO 2 와 O 2 의 농도에 따 라 서로 경쟁적으로 나타난다[2]. RUBISCO의 CO 2 친화도는 원래 낮지만 세포 내 CO 2 농도를 높이는 기작에 의하여 높은 광합성속도를 나타 낼 수가 있다. 지구 역사상 대기 중의 O 2 /CO 2
비율의 변화는 여러 차례 있었는데 진화론적 관점에서 보면 O 2 /CO 2 비율이 상승하는 동안 에 RUBISCO의 CO 2 고정화 활성에 미치는 영향을 완화하기 위한 도구로써 CCM (CO 2
concentrating mechanism) 기작을 가지게 되 었다. O 2 /CO 2 비율이 변화함에 따라서 이러한 CCM의 진화는 여러 계통으로 발생하여 왔다 [3]. 대부분의 광합성 미세조류도 이러한 CCM 을 가지도록 진화되었기 때문에 미세조류의 액 상 성장이 CO 2 농도에 의하여 크게 제한받지는 않는다. 이처럼 RUBISCO의 비효율성은 CCM 의 효율성에 의하여 극복되도록 진화되었다.
CCM은 C4 광합성과 CAM (crassulacean acid metabolism)과 같은 생화학적 기작과 산 성화에 의한 지엽적인 농도 증가나 막간 능동 수송과 같은 생물리적 과정에 의하여 일어나 며 여기에서 엽록체의 pyrenoid가 진핵세포의 carboxysome와 유사한 역할을 한다[4]. 이러 한 CCM에서 미세조류 세포 내의 여러 가지 생체막을 통한 CO 2 의 이동은 CO 2 와 HCO 3 -
간 의 전환(CO 2 + H 2 O ↔ HCO 3 -
+ H + )을 촉진 하는 다양한 carbonic anhydrase (CA, EC 4.2.1.1) 효소들과 관련되어 있다(Figure 2). 특 별히, Porphyridium purpureum 유래의 CA는 일차구조와 촉매부위가 잘 밝혀져 있다[5].
CCM은 그 외에도 세포영양분, 광조건, 온도 등의 외부인자에 의해서도 조절될 수 있다.
5% 이상의 CO 2 는 Chlorella 종의 세포성장을 저해한다고 알려져 있는 바와 같이 저농도의 CO 2 에서는 세포 내 CA가 환경정화에 중요한
Figure 2. 미세조류 세포 내의 이산화탄소의 흡수, 수송, 축적 과정.
역할을 할 수 있지만 고농도의 CO 2 처리에는 미세조류가 적합하지 않다. 하지만 예외적으로 극도로 높은 농도(60∼100%)에서도 빨리 성장 할 수 있는 Chlorococcum littorale, Cyanidium caldarium 등의 새로운 미세조류도 발견되어 왔다[6]. 따라서, 산업 배기 가스는 대개 10∼
20% CO 2 를 함유하고 있으므로 이러한 미세조 류에 의한 처리가 가능하다.
더 나아가 광반응기에서 배양된 미세조류를 이용하여 온실가스 중의 CO 2 를 저감시키려는 연구가 1990년대부터 광범위하게 시작되었다.
이러한 생물학적 저감에 의해 CO 2 는 미세조류 바이오매스로 전환된 후 단백질, 비타민, 식품, 사료 등의 고부가가치의 생산물로 다시 전환 된다. 그러나 바이오매스 생산성이 낮고 CO 2
이용이 비효율적인 단점이 있다. 이러한 단점 을 해결하기 위하여, RUBISCO의 O 2 혹은 CO 2
에 대한 친화도의 변경, 저농도의 CO 2 에 반응 적인 유전자의 동정, CO 2 이동에 관련된 단백 질 등에 관한 연구가 진행되고 있다[7].
3. 미세조류 균주의 개발
다양한 산업적 진단치료 분야에서 재조합
단백질에 대한 전 세계 수요가 증가하고 있는
상황에서 단백질의 대량 생산을 위하여 저비
Table 1. 재조합 단백질 생산에 이용되는 생물 발현 시스템
Features Bacteria Yeast Mammalian cellculture
Transgenic animals
Transgenic plants
Transgenic microalgae
Production time Short Medium Long Long Long Short
Production cost Medium Medium High High Low Very low
Scale up cost High High High High Low Very low
Cost/storage Cheap/-20 ℃ Cheap/-20 ℃
Expensive /Liquid nitrogen
Expensive /Liquid nitrogen
Cheap/Room temperature
Cheap/Room temperature Production scale Limited Limited Limited Limited Worldwide Worldwide
Propagation Easy Easy Hard Feasible Easy Very easy
Distribution Feasible Feasible Difficult Difficult Easy Easy
Delivery vehicle No No No Yes Possible Possible
Gene size Unknown Unknown Limited Limited Not limited Not limited
Glycosylation Absent Incorrect Correct Correct Correct Correct
Multimeric protein
assembly No No No Yes Yes Yes
Protein yield Medium High Medium-high High High Unknown
Contamination risk Yes Unknown Yes Yes Unknown Unknown
Safety Low Unknown Medium High High High
Ethical concerns Low Medium Medium High Medium Medium
용의 생물반응기 시스템이 중요하다. 최근 유 전자 재조합 기술의 발달로 인하여 다양한 세 포주를 위한 수많은 생물반응기가 개발되어 왔지만 단백질의 효율적 생산을 위한 공통된 기준은 따로 없었다. 의료단백질 등 특별한 단 백질의 생산에 적합한 생물반응기는 개발비용, 생산비용, 발현량, 단백질의 순도 등을 고려하 여 선택하여야 한다.
현재 상업적으로 구할 수 있는 재조합 단백 질의 대부분은 세균이나 효모 또는 동물세포 의 배양을 위해 설계된 생물반응기를 이용하 여 생산되고 있다(Table 1). 세균에 의한 단 백질의 발현시스템에는 splicing, 당화, 단백질 assembly 등의 전사 혹은 번역 후의 조정과정 이 결핍되어 있다. 또한 세균성 endotoxin과 단백질 분해효소 등의 불순물도 혼재될 가능 성이 높다. 진핵세포인 효모에 의한 발현시스 템도 당화과정을 충실하게 실현하지는 못한다.
현재 의료 단백질의 대부분은 동물세포 배양
을 통해 생산되고 있지만 대량 생산이 쉽지 않고 배지가 고가이며 오염되기 쉬운데다가 발현량이 적어서 생산 비용이 높다. 형질전환 동물은 제조비용이 마리당 50만 달러가 소요 되며 노동집약적인 관리가 필요하고 대량생산 하기에 오랜 시간이 필요하다.
형질전환 식물은 안정성과 기능성을 갖춘
단백질의 대량생산을 위해 비교적 많은 장점
을 지닌 발현 시스템이다. 백신, 항체, 효소,
호르몬, 의료단백질 등의 상업화를 위해서는
그 발현량이 세포 내 수용성 단백질총량의 최
소 5%까지 차지하여야 하는데 일반적으로는
0.001∼46.1% 범위이다. 일반적으로 Pseudo-
monas aeruginosa 등 일부 독성 세균이나 곰
팡이를 제외한 나머지 주요 인간병원체들은
식물을 숙주로 삼지 않는다. 식물성 바이러스
는 인체나 동물을 감염시키지 않으며 동물성
바이러스도 식물체에 작동하지 않는다고 알려
져 있다[8]. 유전자변형식물에 의한 환경오염,
식물성분에 대한 엘레르기 반응, 단백질의 오 염, 의약 단백질의 허가 규제 등의 문제점도 있다.
어떤 의약단백질은 복잡한 번역 후 조정과 재접힘을 거친 후에 생활성을 가지게 된다. 식 물의 발현 시스템을 동물과 비교했을 때 서로 유사한 단백질 합성, 분비, 재접힘, 번역 후 조 정의 경로들을 가지고 있지만 당화과정은 차 이가 있다. 단백질의 서로 다른 당화 패턴은 구조적 성질과 생화학적 활성을 특이적으로 바꾸지는 않지만 안정성, 수용성, 분해성, 항 원성 등을 변경시킨다. 식물성 당단백질의 말 단은 동물세포에서 나타나는 sialic acid이나 mannose-6-phosphate를 가지고 있지 않지만 특유의 xylose와 fucose 부위를 가짐으로써 인 체 내 면역반응을 일으키는 요인이 된다. 그러 나 단백질의 소포체 체류, 골지체 효소의 불활 성화, 인간 glycotransferase 유전자의 도입 등 의 대사공학적 방법으로 이러한 당화과정의 차이를 극복할 수 있다.
지난 십년 이상 관련된 유전공학적 기술이 개발되고 연구되어 온 진핵성 미세조류가 다 른 종류의 균주가 가지는 문제점들을 해결하 기 위해 대안적인 발현시스템이 될 수 있다.
최근에 미세조류에 의한 항체, 살충제, 백신의 생산에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.
미세조류는 일반 농작물에는 적합하지 않는 생육조건에서도 대규모로 배양할 수 있다는 잠재성 때문에 천연성분의 생산성 증가, 신규 물질의 합성 등을 위한 유전자 조작의 대상이 된다. 미세조류에 대한 유전자 조작기술은 아 직 초보수준에 머물러 있으며 미세조류로부터 생산된 재조합 생산물들 중 상용화된 것은 아 직 없다. 그러나 Chlamydomonas reinhardtii 를 비롯한 몇가지 모델 미세조류 종들에 대한 형 질전환 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
미세조류에 대한 형질전환법은 지난 10년 동안 중요하게 개발되어 왔다. C. reinhardtii 의 nuclear genome 혹은 chloroplast genome에 새로운 유전자를 도입하는 방법이 먼저 개발
되었으며 현재는 Volvox carteri, Chlorella, Phaeodactylum tricornutum 를 포함한 일부의 미세조류에 대한 형질전환법만이 정립되어 있 으며 그 외에 다양한 종들에 대한 시도들도 이루어져 왔다(Table 2).
C. reinhardtii 의 nuclear genome에 대해 개 발된 다양한 형질전환법들 중 가장 간단한 방 법은 세포막에 구멍을 일시적으로 형성하기 위해 glass bead를 이용한 교반법이다. 이때 세포벽 단백질 성분을 분해하는 효소를 이용 하거나 세포벽이 결핍된 변이체를 사용하면 전환효율이 높아진다. 이외에도 DNA로 코팅 된 입자를 이용하는 bombardment 방법, Agro- bacterium 을 매개로 하는 방법 등이 있다. C.
reinhardtii 의 chloroplast genome 혹은 mito- chondrial genome에 유전자를 도입시키는 방 법으로 bombardment 방법이 많이 사용된다 [9]. Volvox carteri, Chlorella, Phaeodactylum tricornutum, Cyclotella cryptica, Navicula sa- prophila 등 다른 미세조류에 대한 형질전환에 도 bombardment 방법이 널리 사용되어 왔다.
C. reinhardtii 의 nuclear genome에 대한 형질
전환에 처음 사용된 selectable marker는 auxo-
trophic mutant를 구제해줄 수 있는 endo-
genous gene들이었다[10]. 그 예를 들면, ni-
trate를 유일한 질소원으로 하여 생장하던 nit1
mutant를 구제해주는 NIT1 유전자(nitrate re-
ductase)와 arginine이 첨가된 배지에서만 자라
던 arg7 mutant를 구제해주는 arg7 유전자
(argininosuccinate lyase)가 있다[11]. 첫 번째
로 개발된 특출한 selectable marker는 RPS14
유전자(ribosomal protein S14)부터 변이된 CRY1
유전자인데, wild-type Chlamydomonas 에게
emetine와 cryptopleurine와 같은 translation
inhibitor에 대한 저항성을 부여해준다[12]. 2004
년에는 sulfometuron methyl과 같은 herbicide에
대한 저항성을 부여해주는 als (mutated acetol-
actate synthase) 또는 PPX1 (protoporphyri-
nogen oxidase) 유전자도 selectable marker로
개발되었다. 세균에서 유래한 항생제와 관련된
Table 2. 미세조류에 적용이 가능한 형질전환법
Microalgae Genome Transformation method
Green microalgae
C. reinhardtii Nuclear, Chloroplast, Mitochondrial Microprojectile bombardment
Nuclear Electroporation
Nuclear Glass-bead
Nuclear Silicon carbide whiskers
Nuclear Agrobacterium tumifaciens
Dunaliella salina Nuclear Electroporation
Chlorella ellipsoida Nuclear Polyethylene glycol
Chlorella sorokiniana Nuclear Microprojectile bombardment
Chlorella vulgaris Nuclear Electroporation
Chlorella kessleri Nuclear Microprojectile bombardment
Haematococcus pluvialis Nuclear Microprojectile bombardment
Volvox carteri Nuclear Microprojectile bombardment
Diatoms
Cyclotella cryptica Nuclear Microprojectile bombardment
Navicula saprophila Nuclear Microprojectile bombardment
Phaeodactylum tricornutum Nuclear Microprojectile bombardment
Cylindrotheca fusiformis Nuclear Microprojectile bombardment
Dinoflagellates
Amphidinium spp Nuclear Silicon carbide whiskers
Symbiodinium microadriaticum Nuclear Silicon carbide whiskers
Red Algae
Cyanidoschyzon merolae Nuclear Electroporation
Porphyidium spp. Chloroplast Microprojectile bombardment
Euglenoids
Euglena gracilis Chloroplast Microprojectile bombardment
특출한 selectable marker로는 bleomycin family 에 대한 저항성을 부여해주는 Sh.ble 유전자, spectinomycin에 대한 내성을 부여해주는 aadA 유전자, paromomycin에 대한 내성을 부여해 주는 aphVIII 유전자가 있다.
세균에서 유래한 두 가지 우수한 selectable marker가 C. reinhardtii 의 chloroplast genome 에 대한 형질전환에 사용되었다. kanamycin 내성을 부여해주는 aphA6 유전자와 spectino-
mycin 내성을 부여해주는 aadA 유전자이다.
이러한 외래 유전자는 미세조류에서 잘 작동 하기 위하여 미세조류의 핵 유전자 GC-bias와 염색체 유전자 AT-bias와 유사한 codon bias 를 나타내거나 codon usage에 맞게 최적화되 어야 한다.
많은 수의 미세조류는 대부분의 항생제나
제초제에 대한 내성을 선천적으로 가지고 있
다. 반수체인 C. reinhardtii 와 달리 배수체인
다른 미세조류(e.g. diatoms)에 적용할 수 있 는 selectable marker는 우성이어야 한다. 해양 미세조류의 생장을 위해 필요한 고염도 조건 은 종종 항생제 활성을 감소시킨다. 염수에 잘 견디는 phleomycin은 DNA를 비특이적으로 파괴하기 때문에, phleomycin family에 대한 저항성을 부여해주는 ble 유전자는 크기도 작 아서 대부분의 미세조류에 selectable marker 로 사용하기에 적합하다[13].
Promoter는 외래 유전자의 발현에 더욱 중 요하다. cauliflower mosaic virus 35S (CaMV 35S) promoter는 단자엽이나 쌍자엽 식물에서 는 강하고 항시적으로 작동하지만 대부분의 미세조류에서는 유용하지 않다. 미세조류에서 는 차라리 발현도가 높은 내래 유전자로부터 유도된 promoter가 더 효율적이다. 예를 들면, C. reinhardtii 의 RbcS2 (ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase small subunit) 유전자 의 5 '-untranslated region에서 유도된 RbcS2 promoter가 있다. RbcS2의 첫 번째 intron은 promoter의 upstream 혹은 downstream에 위 치하여 transcriptional enhancer로 작용한다.
따라서 ble 유전자에 삽입되면 형질전환 효율이 현저하게 높아진다. Chlamydomonas Hsp70A (heat shock protein 70A)도 RbcS2, β2- tubulin, Hsp70B와 같은 다른 Chlamydomonas promoter에 융합시키면 transcriptional enhancer 로 작용한다. Phaeodactylum tricornutum 에 적합한 내래의 fcp (fucoxanthin chlorophyll- binding proteins) promoter도 효율적이다.
핵 발현을 위해 가장 많이 사용되는 reporter 는 ARS (arylsulfatase) 유전자이다. arylsul- fatase는 황결핍 상태에서만 발현되다가 sulphate 를 첨가해주면 분해시켜 발색을 일으킨다. codon 이 최적화된 green fluorescent protein (GFP) 와 luciferase, aequorin도 invivo 분석 등을 위 한 reporter로 사용된다. 엽록체 발현을 위한 reporter는 RbcL promoter와 연결되고 codon 이 최적화된 GFP 혹은 GUS가 사용된다. 그 러나 GFP의 가시화는 염색체 색소들에 의하
여 방해받는다. 대신에 세균 유래의 luciferase 의 두 가지 subunit을 융합시킨 luxCt 유전자가 효과적이다. 한편, 이중가닥의 DNA 바이러스로 부터 만들어진 promoter도 이용되고 있다.
4. 미세조류 균주의 대량배양
미세조류의 대량배양에 관한 연구는 세계 2 차 대전 직후에 인구증가와 함께 식량원으로 개발하기 위해 시작되었다. 그 후, 하수처리, 수질오염 개선, 대기가스의 재생(우주산업용), 재생가능 연료(바이오디젤) 및 연료원(수소) 의 생산, 고가의 천연건강식품, 온실가스의 완 화 등을 위해 다양하게 진행되었다.
미세조류의 배양과 생산물 회수가 용이하다 는 점은 산업적 측면에서 유리하다. 대부분의 미세조류는 photoautotroph로서 최대의 성장을 위하여 물, 빛, 기초영양분 만을 필요로 하기 때문에 저비용의 대규모 옥외 배양이 가능하 다. Dunaliella 나 Chlorella 와 같이 염수에서 자 라는 미세조류는 내륙의 경작지나 담수를 요 구하지 않으므로 배양에 더 유리하다[14]. 빛 과 교반이 충분하다면 메가리터 규모로도 고 농도 세포배양이 가능하며 추가로 폐쇄형 광 반응기를 이용하면 바이오매스를 고효율로 생 산할 수 있다. 일부 미세조류는 암조건에서 heterotroph로 자랄 수 있으며 에너지원으로 당을 필요로 하는데 작은 규모로 배양하여 바 이오매스를 고효율로 획득할 수 있다.
Dunaliella, Haematococcus, Chlorella 와 같은 미세조류는 GRAS (Generally Regarded As Safe)로 분류되어서 생산된 고부가가치의 성 분들은 냉동건조 분말상태로 복용될 수 있다.
미세조류는 구조가 간단해서 생활성물질의 추 출분리도 쉬우며 유전공학 기법에 의하여 재 조합 단백질을 배지 중으로 분비시키거나 세 포 내 periplasmic space로 이동시킬 수 있다.
그러나 대량배양을 하게 되면 생산물을 저비
용으로 분리하고 회수하는 것은 더욱 어려울
Figure 3. 미세조류 세포의 대량배양 시스템 (a) 옥외형 (b) 폐쇄형 광반응기.
것이다. 고염도와 고온에서 선택적으로 잘 자 라는 상용 균주들도 있는데 이러한 선택적 조 건 때문에 대규모 옥외배양 시에 타 미생물의 성장을 배제시킬 수 있다. 한편, 일반 조건에서 자라는 미세조류는 폐쇄형 광배양기에서 대량 배양해야 하며 초기 접종량도 높아야 한다.
산업적인 대규모 옥외배양에서는 특정 균주 를 선택적으로 유지시키는 기술이 무엇보다도 필요하다. 또한 수 센티 이상의 깊이부터는 CO 2 와 O 2 와 빛이 제한적으로 공급되기 때문 에 세포의 성장도 제한받게 된다. 표면적은 세 포농도 즉 생산성을 결정짓는 가장 중요한 변 수이다. 문제점이 많지만 식물에 비하면 미세 조류의 바이오매스 생산성이 더 우수하기 때 문에 대규모 옥외배양기술개발에 대한 전망은 밝다.
미세조류의 실외 대량배양이 CO 2 저감을 위 해 제안되어 왔지만 이와 같은 개방형 배양시 스템에서는 미세조류의 생장을 조절하여 최적 화할 수 없기 때문에 바이오매스 생산성이 낮 다. 게다가 상업적으로 운영하기 위해서는 육지 면적의 2%를 대량배양용으로 이용해야 하므로 실현가능성이 낮다. 따라서 폐쇄형 광반응기 (photoreactor)에 의한 미세조류 배양을 도입하 여 컨트롤이 용이하고 생산성이 높은 배양시스 템을 마련하는 것도 고려할만하다(Figure 3).
5. 미세조류에 의한 생전환
미세조류의 대사산물들은 식물에서는 발견
되지 않는 새로운 자원으로 인정받고 있다. 그
Table 3. 미세조류에 의한 생전환
Microalgae Products
Haematococcus pluvialis Natural astaxanthin as a nutraceutical
Chlamydomonas reinhardtii
Transgenic microalgae for animal health/feed,
bioremediation, environmental monitoring and biopesticides.
Developing recombinant protein technology.
Spirulina pacifica Spirulina extracts as nutritional supplements, immunological diagnostics, aquaculture feed/pigments and food colouring Spirulina sp Nutritional supplement to inhibit replication and infectivity of
viruses including HIV, CMV, HSV and influenza A Crypthecodinium cohnii Nutritional fatty acids
Chlorella sp. Dunaliella sp Dietary supplements: polysaccharide N, β -1.3 glucan (Chlorella) and β-carotene (Dunaliella)
Dunaliella bardowil β-carotene powder Dunaliella salina Mixed carotenoids
Various Anticancer drugs derived from marine microorganisms
Undisclosed Polyunsaturated fatty acids.
No products yet brought to market.
예로서 Dunaliella, Haematococcus, Chlorella, Euglena 가 생산하는 β-carotene, astaxanthin, canthaxanthin와 같은 carotenoid들은 식품이 나 화장품의 첨가색소, 비타민 A의 보조제로 서의 건강식품, 사료첨가제 등으로 사용된다.
전 세계에 공급되는 천연 β-carotene의 80%
이상은 호주의 염수호에서 배양되는 Dunaliella salina 로부터 만들어진다. trans isomer와 cis isomer를 모두 포함하는 천연 β-carotene는 항염효과가 있어 고가이지만 trans isomer만 포함하는 합성 β-carotene는 오히려 인체 내 알레르기 반응을 유발시킨다. 대량 배양회수기 술의 발전과 원유 가격인상에 따라 가격은 점 점 낮아지고 있다. 또한 미세조류는 비타민 C, E, B12 등 다양한 비타민들을 포함하고 있다 (Table 3).
Diatom과 dinoflagellate 등 다양한 미세조류 에는 longchain polyunsaturated fatty acids (LCPUFA)가 풍부하다. 특히 omega-3 poly- unsaturated fatty acids, eicosapentaenoic, do-
cosahexaenoic acid, arachidonic acid는 고가의 영양보충제로서 팔리고 있다. 비록 임상시험은 거치지 않았지만 미세조류가 생산하는 또 다 른 다양한 2차 대사물과 항암제, 항균제 등의 약리활성물질 후보군들이 보고되고 있다[15].
지난 수십년간 미세조류 배양을 통해 CO 2 를 고정화하고 유용 물질을 생산하기 위한 연구 가 이루어졌다. 1970년대에는 미세조류를 이용 한 CO 2 고정화 공정을 폐수 처리 공정과 연계 하여 CO 2 고정화에 의해 생산된 미세조류 바 이오매스를 혐기소화에 의해 메탄으로 전환하 여 에너지로 사용하고 다시 그 과정에서 발생 한 CO 2 를 미세조류에 의해 고정화하는 공정으 로서 이미 일부 폐수 처리공정에서 적용된 바 있다.
특히 생물의 힘을 이용한 이산화탄소 전환
이 대표적으로 화력발전소의 배기가스를 조류
의 배양액에 통과시켜 식용자원, 유용가스, 생
물연료의 생산으로 전환하는 파일럿 플랜트
연구가 진행 중이다. 바이오매스 에너지로 가
장 역점을 두고 있는 과제는 미세 녹조균주를 이용한 탄화수소의 생산이다. 이것은 녹조균주 가 대기권, 공장, 및 화력발전소 배기의 이산 화탄소를 탄소동화작용에 의해 탄화수소 형태 로 고정화하여 화석연료를 생산함과 동시에 생물학적인 수처리를 할 수 있다는 복합적 이 익이 기대되기 때문이다.
광합성 미세 조류를 이용한 유용 생리활성 물질인 카로티노이드를 대량으로 생산하는 기 술은 광합성 미세조류의 광합성 대사과정을 통해 공기 중의 이산화탄소를 고정하여 2차대 사 산물인 카로티노이드로 생물학적으로 전환 시키는 것을 이용해서 이산화탄소를 저감ㆍ처 리함과 동시에 부가가치가 높은 카로티노이드 를 생산하여 발생할 수 있는 수익을 통해서 이산화탄소 처리 비용의 현실화에 기여할 수 있다.
광합성 미세조류를 이용하여 생산하는 카로 티노이드는 부가가치가 높지만 생산성이 낮다 는 단점을 가지고 있어 대량생산을 통한 상업 화에 한계를 가지고 있지만 고 농도 대량 배 양 공정 개발해서 해결책을 찾을 수 있다.
6. 맺음말
균주 개량 기술은 극도의 기술 집약적 분야 로서 현 상태에서의 해외 각국들로부터 기술 도입은 불가능하며 개량된 균주의 도입에 의 한 유용 활성 물질 생산은 상당기간 고비용을 지불해야 하며, 고 농도 생산 공정이 개발된다 하여도 기술료 또는 특허 사용료 등의 비용을 부담해야 하는 한계 때문에 부가가치 창출에 제한적일 수밖에 없다. 현 시점에서 자체 기술 확보에 의한 고 효율 균주 개발 및 그것을 이 용한 생리활성물질 생산 기술 개발을 통해서 만 고부가가치 생물 산업으로 자리매김 할 수 있을 것으로 전망된다.
이를 위해서 우선적으로 대량 배양용 광생 물반응기 모델의 안전성 및 타당성 평가와 아
울러 Lab-scale의 광생물반응기 운전을 통해 도출된 공정 설계 인자들을 바탕으로 대규모 의 고농도 광합성 미세조류 대량 배양기 모델 을 개발하고 대량 생산된 biomass 중에서 목 적산물을 선택적으로 회수하는 효율적인 공정 을 설계하여 scale-up에 따른 실증화를 통해서 상업화 할 수 있도록 고효율의 광생물반응기 의 개발과 회수 공정의 개발을 위한 체계적인 연구가 필요하다.
이산화탄소를 고정화하여 고 부가가치 생리 활성물질을 생산하는 고 효율 균주 및 배양공 정의 개발은 이산화탄소 처리에 있어서 부가 가치 창출을 통한 처리 비용 현실화라는 신 개념의 이산화탄소 저감기술로서 생물학적 이 산화탄소 처리공정의 새로운 기술모델을 제시 한다.
선진국에서는 거대 제약회사들과 정부 연구 기관 및 대학들을 중심으로 신약개발 및 고부 가가치 생리활성물질 등의 대량 생산 공정의 개발에 막대한 연구 투자를 하고 있으나, 아직 국내에서는 시작 단계에 있는 실정이다.
부가가치가 높으나 생산성이 매우 낮은 생 리활성물질의 생물학적 대량 생산 공정 개발 과 그것을 통한 상업화를 위해서는 고 기능성 생리활성물질 생산을 위한 생물공정과 균주를 개발이 필요하며 이를 실현할 수 있다면 산업 적으로 막대한 부가가치를 창출할 수 있을 뿐 아니라 고부가가치 생리활성물질의 대량 생산 을 위한 생물화학공정 기술을 확립할 수 있을 것으로 기대된다.
참 고 문 헌
