가톨릭대학교 생명공학과 바이오촉매공학 연구실(Biocatalyst Engineering Laboratory)을 소개합니다. 우리 연구실은 주정찬 교수님의 지도 아래 현재 연구교수, 대학원생, 학사연구원, 학부연구생 등 7명의 다양한 구성원이 모여 열심히 연구하고 생활하는 작지만 단단한 연구실입니다. 우리 연구실은 효소공학 및 대사공학 기법을 이용하여 산업적으로 의미 있는 플랫폼화합물, 의약품 전구체 등 바이오화학소재를 효율적으로 생산하는 생물전환기술을 개발하는 연구를 수행하고 있습니다.

1. 연구실 분위기

 우리 바이오촉매공학 연구실은 학문적 우수성과 산업적 응용성을 모두 추구하는 연구를 수행하고 있습니다. 우리 연구실은 산업체와의 공동연구를 활발하게 수행하고 있으며, 우리 연구실에 관심이 있는 학생들은 학부생부터 본인이 흥미를 가지고 있는 산업 분야의 기초 연구를 수행하게 됩니다. 학부연구생 때부터 생물공학 전공 지식을 DNA 클로닝,단백질 생산, 세포배양, HPLC 분석 등 실험을 통해 실제 활용하는 기회를 가지게 되고, 이 과정에서 본인이 하고 싶은 연구 주제가 생기면 대학원 진학을 하여 해당 주제를 좀 더 빠르고 심도 있게 연구하게 됩니다. 따라서, 우리 연구실 대학원생들은 학부생부터 관심을 가졌던 분야의 연구 내용을 대학원 학위 주제로 정하기 때문에, 구성원 각자가 남다른 애정을 가지고 자신의 학위 주제를 열심히 연구하고 있습니다. 특히, 지도 교수님을 포함하여 모든 구성원이 항상 바쁘게 연구하고 실험실 생활을 하기 때문에, 우리 연구실은 효율적인 연구 및 토론 환경이 조성되고 있습니다. 형식적인 랩미팅을 하기 보다는, 구성원 각자가 실험 결과 중심으로 간단하게 발표한 뒤, 문제점 해결방안 중심으로 논의하는 1시간 이내 짧은 랩미팅을 매주 하고 있습니다. 그리고, 지도교수님과 같은 오피스 공간을 사용하여 공간적으로 협소한 어려움은 있지만, 지도교수님과 학생간 적극적이고 친밀하게 의사소통을 하고 있어, 필요할 때마다 일대일 연구 지도를 빠르게 받을 수 있습니다.

2. 특징

 우리 연구실은 고효율 생물전환기술을 개발하여 다양한 바이오화학소재를 생산하는 연구를 수행하고 있습니다. 따라서, 산업적 활용성이 높은 바이오플라스틱 단량체, 의약품 원료물질 등을 생산하는 산업화 연구과제를 산업체와 협력하여 수행하고 있습니다. 특히, 지도교수님은 한국화학연구원 근무 경험이 있으며, 근무 당시 바이오기업과 화학기업이 협력하는 산학연 협력 과제를 다수 수행하여서, 산업체가 원하는 산업적 응용성이 높은 원천 기술 개발에 많은 관심을 가지고 있습니다. 따라서, 학생들에게 단순히 연구과제를 수행하는 것뿐만 아니라, 실험 결과가 어떻게 산업적 활용으로 이어질 수 있는지에 대해 지속적으로 설명해 주시며, 산업체 미팅에 학생을 동참시켜, 학생들에게 산업체의 관심 연구 분야에 대해서 끊임없이 환기시켜 주십니다. 따라서, 우리 연구실은 대학원생과 학부연구생이 연구과제를 수행하며 본인이 수행하는 연구 분야에 최신 연구 동향뿐만 아니라 산업 동향까지 파악할 수 있는 장점이 있습니다. 오피스 공간뿐만 아니라 실험 공간이 협소하여, 실험 기기가 많아서 학생들이 실험실 공간 활용에 어려움이 있지만, 다양한 실험을 배울 수 있는 장점이 있습니다. 특히, 우리 연구실은 산업체와 타 대학뿐만 아니라 한국화학연구원, 한국생명공학연구원 정부출연연구소 등과의 공동연구를 다수 수행하고 있어서, 실험실 내 구성원 간 협력뿐만 아니라, 기관 간 협력 또한 경험할 수 있습니다. 이러한 실용적인 연구 분위기로 인해, 우리 연구실 구성원들이 CJ바이오, 한국융합화학시험연구원 등 유수의 대기업과 공공기관에 성공적으로 취업을 하는 기회를 얻고 있습니다.

3. 연구

 우리 연구실은 효소공학 및 대사공학 기술을 기반으로 하여 산업적으로 유용한 바이오화학소재의 생산연구와 리그닌, 플라스틱 등과 같이 활용이 어려운 탄소자원의 효율적 고부가화(upcycling) 연구를 수행하고 있습니다.

 바이오화학소재 생산연구의 경우, 석유계 플라스틱을 대체 또는 보완할 수 있는 지속가능한 바이오매스 유래 플라스틱을 제조하기 위한 다양한 플랫폼화합물을 생물학적으로 생산하는 연구를 하고 있습니다. C6 플랫폼화합물인 아디프산(adipic acid), C5 플랫폼화합물인 카다베린(cadaverine), 글루타릭산(glutaric acid) 등을 효율적으로 생산하기 위한 효소 발굴 및 개량, 미생물 개량 등의 연구를 수행하고 있습니다. 또한, 우리 연구실에서는 기존 화학공정으로 생산하는 의약용 원료물질을 생물학적으로 생산하기 위한 친환경 생물전환기술을 개발하고 있습니다. 만성 간질환 개선제의 원료 물질인 UDCA를 고효율로 생산하기 위한 효소 개량 및 생물전환 개선 연구도 수행하고 있습니다.

 미활용 탄소자원의 업사이클링 연구의 경우, 리그닌 또는 플라스틱의 화학적 해중합과 생물학적 고부가화를 연계한 연구를 수행하고 있습니다. 방향족 탄소로 이루어진 리그닌 또는 PET, PS 플라스틱 등을 화학적으로 해중합한 후, 해중합 단량체를 생물학적으로 고부가소재로 업사이클링하는 연구를 수행하고 있습니다. 방향족 기질을 잘 활용할 수 있는 미생물을 선별하고 이를 잘 개량할 수 있는 유전자 조작 툴(genetic tool)을 개발하고, 고부가소재로 전환하는 다양한 효소 또한 개량하는 연구를 수행하고 있습니다. 화학전환과 생물전환을 서로 연계하는 바이오·화학 융합기술을 개발하고 있어, 우리 연구실에 수행하는 생물전환 기술뿐만 아니라, 화학전환을 담당하는 공동 연구 그룹과의 긴밀한 협력연구도배울 수 있습니다.

4. 맺음말

 우리 연구실은 지속가능하고 탄소중립적인 바이오화학소재를 생산할 수 있는 효율적인 생물전환기술을 개발하고 있습니다. 단순히 플랫폼 화학물을 생산하는 수준의 연구를 수행하는 것에 그치지 않고, 생물전환공정의 산업적 활용성을 높이기 위해 생산농도, 생산성, 수율, 생물촉매(효소 또는 미생물) 안정성, 또는 조효소 특이성 조절 등과 같이 공정의 경제성을 향상 시킬 수 있는 요소 분석 및 개선 전략을 수립하고 이를 위한 효소 또는 미생물 개량 연구를 집중적으로 수행하고 있습니다. 따라서, 우리 연구실에서는 대학원생들이 본인의 연구주제의 학문적 중요성과 산업적 응용성을 모두 배울 수 있는 기회가 존재합니다. 그린전환, 탄소중립, 기후변화, 케모포비아, 미세플라스틱 등 과학적, 산업적, 사회적으로 큰 이슈 문제들을 같이 고민하고 조그만 해결방안을 마련하는 것이 우리 연구실의 연구방향입니다. 앞으로도 지도교수님을 선두로 구성원 모두가 항상 에너지가 넘치는 연구실을 만들어 갈 것을 다짐하여 실험실 탐방기를 마칩니다.

5. 연구실 대표 논문

1. Microbial production of 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid from lignin derivatives in an engineered Pseudomonas putida and its application for the synthesis of bio-based polyester, Bioresource Technology, 352, 127106 (2022)

2. Development of a bio-chemical route to C5 plasticizer synthesis using glutaric acid produced by metabolically engineered Corynebacterium glutamicum, Green Chemistry, 24 (4) 1590-1602 (2022)

3. Improving the catalytic performance of xylanase from Bacillus circulans through structure-based rational design, Bioresource Technology, 340, 125737 (2021)

4. Development of metabolically engineered Corynebacterium glutamicum for enhanced production of cadaverine and its use for the synthesis of bio-polyamide 510, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8 (1), 129-138 (2020)

5. Metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for the production of glutaric acid, a C5 dicarboxylic acid platform chemical, Metabolic Engineering, 51, 99-109 (2019)