서론

   박테리아와 효모, 균류 등 다양한 종류의 미생물은 유전공학의 도입과 비약적인 발 전과 발효를 포함한 산업 바이오 기술의 성장을 통해 산업적 목적을 위한 다양한 바이 오 화합물 생산에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 특히, 유질 효모(oleaginous yeast) 는 지질 유래 산물의 분해 또는 합성을 위한 고유의 지질 대사 능력과 특별한 생리학 적 특성으로 인해 산업적 응용 가능성이 높은 미생물이다 [1-2]. 

   유질 효모 중 대표적으로 Yarrowia lipolytica와 Candida tropicalis는 다양한 생물학 적 공정에 적용하기 위한 미생물 세포공장(microbial cell factory)으로 개발되고 있다. Y. lipolytica는 탄화수소와 지방산 등 광범위한 기질 활용 능력으로 인해 지방산 에스 터, 생물 계면활성제 및 바이오디젤 생산에 활용이 가능한 미생물로 알려져 있다. 이 와 함께 유전자 삽입/제거를 위한 툴킷 등 유전자 조작을 위한 기술의 발달에 따라 제 약, 화장품, 식품 및 에너지 산업으로 활용 범위가 확장되고 있다 [1, 3-5]. C. tropicalis 는 자일리톨과 같은 알코올계 당류, 유기산 등 다양한 바이오 화합물의 산업적 생산에 활용되고 있으며 곰팡이 독소를 분해하는 능력을 통해 환경 정화 미생물로도 중요한 역할을 함으로써 산업 및 환경 분야에서 유용한 미생물로 높은 관심을 받고 있다 [2].

   유질 효모를 이용한 미생물 세포공장 개발은 1) 재생 가능한 자원을 기질로 활용하 여 지속 가능하고 친환경적인 생산 공정을 가능하게 하고, 2) 생물학적 시스템의 복잡 한 대사 네트워크를 활용함으로써 고순도의 화합물 생산이 가능하게 하며, 3) 합성생 물학 및 대사공학의 발전으로 특정 대사 경로의 세밀한 조절과 외래 경로의 도입을 통 해 목적 산물의 생산 효율과 생산 효율 등 생산성 극대화를 가능케 한다.

   본 기고문에서는 Y. lipolytica를 중심으로 현재까지 진행된 미생물 세포공장 개발 연 구 사례와 이를 활용한 유용 산물 생산의 최신 연구 동향을 살펴보고자 한다. 이를 위해서 Y. lipolytica의 대사경로 특성을 활용하여 생산이 가능한 주요 산물 및 응용 분야를 소개하고 합성생물학 및 대사 공학 기반의 유용 산물의 생산 개선 가능성에 대해 논의하고자 한다.

본론

   기본적으로 Y. lipolytica는 다양한 기질을 대사할 수 있는 능력을 보유하고 있기에 농업 폐기물, 바이오매스, 산업 부 산물 등 다양한 저비용 기질을 활용한 생산 공정이 가능하다. 또한 삼투압(NaCl 12% 이상), 온도(15-38℃), pH(pH 2.5 11.5), 유기 용매 등 다양한 환경적 스트레스에 대한 높은 내성으로 인해 산업적 환경에서도 높은 생산성을 유지할 수 있다 [1]. 지방 분해 및 생성 경로를 포함하여 생물학적 주요 전구체인 acetyl-CoA를 과생산할 수 있는 다양한 대사 경 로를 보유함으로써 산업적 응용 가능성이 확장되었으며 고수율의 재조합 단백질 분비 효율과 GRAS(Generally Recognized As Safe) 미생물로 분류되는 점은 의약품, 기능성 식품 등 고부가가치 제품 생산 측면에서 주요 장점으로 인 식되고 있다.

   모델 효모인 Saccharomyces cerevisiae에 비해 non-homologous end joining (NHEJ) 기작에 의한 DNA repairing 시스 템이 우세하다는 점이 유전자 조작을 위한 대표적인 한계로 작용하기 때문에 유전자 조작 기술의 고도화가 필요하나, Y. lipolytica가 보유한 기질 활용 능력 및 대사적 다양성을 활용하기 위한 다양한 시도가 진행되고 있다. NHEJ 대신 homologous recombination (HR) 기작을 유전자 재조합 시스템으로 활용하기 위한 균주 개발부터 CRISPR/Cas 시스템을 통한 유전자 삽입, 결손 또는 수정에 이르기까지 유전자 조작 용이성을 높이기 위한 유전자 조작 기술이 발달함에 따라 산업용 미생물로의 활용 가능성도 발전하고 있다 [6, 9]. 또한 합성생물학의 발전에 따라 합성 프로모터, ribosome binding sequence 및 전사조절인자 엔지니어링 등 정밀한 유전자 발현 조절이 가능한 합성생물학 도구를 활용한 대사공 학적 연구가 진행되고 있다.

   이와 함께 유질 효모만의 대사 네트워크를 이해하고 최적화하기 위한 대사경로 분석 및 재설계를 위한 다중 오믹스 데이터가 축적됨에 따라 전통적 화학 물질을 대체하기 위한 바이오화학 소재 생산용 균주로의 활용을 넘어 기능성 소 재 및 의료소재 생산을 극대화함으로써 바이오산업 전반에 널리 활용될 수 있는 대표적 비모델 효모 미생물로 발전하 고 있다. 아래에서는 Y. lipolytica를 미생물 세포공장으로 활용한 다양한 연구 사례에 대해 생산 산물을 중심으로 소개하 고자 한다.

1. Y. lipolytica 기반 바이오화학 소재 생산

   Y. lipolytica는 지방산을 생산하거나 분해 및 대사함으로써 효율적인 지질 축적 능력을 보유한 미생물로 바이오디젤 생산을 위한 기반 미생물로 연구되었다. 특히 포도당과 함께 글리세롤, 지방산을 탄소원으로 활용하여 고수율의 지질을 생산하는 연구는 현재까지도 활발히 진행되고 있다. 또한, 높은 수율의 지방산 및 지방산 에스터를 생산하기 위해 유전 자 조작을 통해 acetyl-CoA 또는 NADPH 등 조효소 공급을 강화하는 방식으로 지방산 합성경로를 최적화하고, 지방산 분해경로인 베타 산화(β-oxidation) 및 오메가 산화(ω-oxidation) 경로를 효율적으로 조절하는 전략이 소개되었다. 특히, 지방산 에스터는 바이오 에너지로써 뿐만 아니라 윤활유 및 화장품 산업에서도 중요한 원료로 사용되는 소재로 지방산 에틸 에스터와 C10 , C16 지방산 알코올을 생산하는 다수의 연구가 보고 되었다 [3]. 

   이와 함께 다양한 유기산을 생산하기 위한 미생물 세포공장 개발 연구도 활발히 진행되고 있다. 식품, 의약품, 화학 산업에서 활용되는 중요한 유기산 중 하나인 시트르산(citric acid)의 경우, 다수의 탄소원을 시트르산으로 전환하는 Y. lipolytica 고유의 대사 능력을 통한 생산 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 생합성 경로 내 포도당 탈수소효소 과 발현 및 경쟁 경로 억제 등 유전자 편집 기술을 적용한 균주 개발 연구와 함께 폐 바이오매스와 농업 폐기물을 탄소원 으로 활용하는 연구와 함께 시트르산 생산량을 극대화하기 위한 pH, 온도, 산소 공급, 영양소 농도 등 배양 공정 조건 최적화 연구도 지속적으로 진행되고 있다 [4]. 또한 대표적인 바이오화학 소재인 디카르복실산 중 아디프산(adipic acid) 과 도데칸다이오산(dodecanedioic acid)을 생산하는 미생물 세포공장 개발도 진행되고 있다. 포도당으로부터 de-novo 합 성을 통한 생산이 아닌 알케인, 지방산 등 소수성 기질로부터 전환 생산하는 연구를 중심으로 기질의 길이에 따른 베타 산화 활성을 세밀하게 조절하기 위한 전략과 오메가 산화 효율을 높이기 위한 연구, 생물 전환 공정을 최적화하기 위한 배양 조건 탐색 연구가 함께 진행되고 있다 [10]. 이 외에도 피루브산(pyruvic acid), 이타콘산(itaconic acid)을 포함한 다 양한 유기산 생산 연구를 통해 산업적 응용 가능성을 확대하기 위한 연구가 진행 중이다. 

   Y. lipolytica를 통해 생분해성 플라스틱 중 하나인 PHA(polyhydroxyalkanoate)의 생산도 가능하다 [11]. 베타 산화 경 로 내 중간 산물인 3-hydroxy acyl-CoA를 중간체로 사용하여 PHA 생산 가능성이 보고된 이후로 베타 산화 내 acyl CoA oxidase 종류에 따른 단량체 구성비 변화, PHA 생산량 변화에 관한 연구가 진행되었고, 최근에는 기질 다양화 전 략을 통해 PHB의 대량 생산 가능성을 보여주는 결과가 발표되었다. 

2. Y. lipolytica 기반 기능성 바이오소재 생산 

   Y. lipolytica는 바이오화학 소재와 더불어 다양한 기능성 소재를 생산하기 위한 플랫폼 미생물로 활용되고 있다. 대표 적으로 생물계면활성제(biosulfactant)는 화학 계면활성제보다 뛰어난 생분해성으로 인해 환경친화적이므로 산업적 세 정제, 화장품 및 식품 가공 등 광범위한 활용 가능성이 있는 소재이다. Y. lipolytica가 생산하는 고활성의 지방가수분해 효소(lipase)는 지방산을 가수분해하여 생물계면활성제 생산을 위한 전구물질 생성에 핵심 요소로 활성이 우수한 지방 가수분해효소를 탐색, 과발현하기 위한 연구가 선행되었다 [3]. 이와 함께 지방 분해 대사 능력이 우수하다는 점을 활용 하여 폐식용유나 동물성 지방과 같은 고지방 기질을 사용한 생산성 향상 연구가 진행 중이다. 

   이와 함께 식품용 소재 생산을 위한 세포공장 개발 연구도 상당한 수준으로 진행되고 있다. 첫째로 항산화, 항노화 기 능을 보유한 다양한 카로테노이드(carotenoid)는 건강 보조식품과 식품 첨가물로 많이 사용되고 있다. 특히 라이코펜 (lycopene)의 경우, rate-limiting step으로 작용하는 lycopene cyclase의 되먹임 저해를 극복하기 위한 효소 구조 기반 돌 연변이 효소를 제작함으로써 라이코펜 생산량을 높인 연구가 보고되었다 [12]. 또 다른 대표적 카로테노이드인 베타카 로틴은 Y. lipolytica가 보유한 mevalonate 대사경로를 선별적으로 강화하고 외래 베타카로틴 생합성 경로를 도입하는 기 본적인 대사공학 전략과 함께 lipid droplet을 포함한 세포소기관 엔지니어링을 통해 생산량을 증가시키는 연구가 진행 되었다. 최근에는 베타카로틴 생산을 위한 기반 균주에 외래 경로 도입과 항산화제 및 추출 용매를 활용한 배양 공정 최적화 연구를 통해 비타민 A로 알려진 레티놀(retinol) 생합성용 세포공장도 개발되었다 [7].

   이와 함께 오메가-3 불포화 지방산을 생산하는 세포공장 개발 연구도 진행되었다. 기능성 식품 및 건강 보조식품 산 업에서 중요한 위치를 차지하는 대표적인 오메가-3 불포화 지방산인 DHA(docosahexaenoic acid)와 EPA(eicosapentaenoic acid)를 생산하기 위해서 Y. lipolytica의 강력한 내재적 지방 생합성 경로를 기반으로 외래 aerobic desaturase와 elongase를 도입하거나 anaerobic polyketide synthase를 도입하는 연구가 보고되었다. 추가로 DHA 및 EPA 생합성 효율을 향상하기 위한 배양 최적화 연구도 진행 중이다.

   C5 Isoprene을 기본 단위로 생성되는 다양한 그룹의 테르페노이드는 식품 및 화장품 기능성 소재부터 의약품 소재에 이르기까지 활용 범위가 넓은 기능성 소재이다. Y. lipolytica의 경우 acetyl-CoA, malonyl-CoA 및 NADPH, ATP 등 다양 한 세포 내 물질 생산을 위한 대사 회로가 잘 구축되어 있고 소수성 물질을 생산하기 위한 세포소기관 구성도 최적화되 어 있으므로 다양한 테르페노이드 계열 산물을 생산하기 위한 섀시 미생물로 주목받고 있다. 특히 모노테르펜은 식물 로부터 추출된 에센셜 오일을 구성하는 주요 유기화합물로 향 첨가제, 식품 향미료 등 식품 및 화장품 시장에서 지속적 인 수요 증가가 예상되는 기능성 바이오소재이다. mevalonate 대사경로로부터 limonene을 비롯한 linalool, geraniol, α-pinene 등 다양한 모노테르펜을 생산하기 위해 고활성의 모노테르펜 생합성 효소 선별과 함께 rate-limiting step인 Erg20 효소 최적화를 위한 연구를 중심으로 다양한 연구가 지속되고 있다 [13-14].

3. Y. lipolytica 기반 의료용 바이오소재 생산 

   Y. lipolytica는 바이오화학 및 기능성 소재 이외에 백신 항원, 호르몬, 치료용 단백질, 효소 치료제 등 다양한 바이오 의약품 생산에도 Y. lipolytica 활용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 진핵생물의 특성을 활용하여 COVID-19와 말 라리아 백신 개발을 위한 항원 생산 연구를 비롯하여 인간 성장 호르몬과 인슐린 전구체 생산을 위한 엔지니어링 균주 개발, 혈액응고 8인자와 단일 사슬 가변 단편(scFv)를 생산하는 연구를 통해 복잡한 치료용 단백질을 생산하기 위한 매 우 유용한 플랫폼이 될 수 있음을 확인하였다. Y. lipolytica를 다양한 의료용 바이오소재의 상용화 생산에 활용하기 위 해서는 더 많은 단계적 연구와 임상 시험이 필요한 것은 사실이나, 그 가능성은 기대 이상일 수 있다.

결론 및 제언

   Y. lipolytica 기반의 세포공장 개발 연구는 바이오화학 소재, 기능성 바이오소재, 식품용 소재 및 의료용 바이오소재 생산에 중요한 역할을 담당하고 있다. Y. lipolytica는 지질 산물에 대한 강력한 대사 경로와 생리학적 특성을 보유하고 있기에 다양한 산업적 응용 가능성을 제시한다. 특히 합성생물학 발전에 따른 유전자 조작 및 대사 경로 최적화 기술의 발전은 미생물 세포공장의 생산성을 극대화하고, 지속 가능한 산업적 화합물 생산을 가능하게 하는 원동력이 되고 있다. 

   Y. lipolytica를 산업용 세포공장으로 발전시키기 위한 향후 연구 방향은 1) commercial 스케일의 대량 생산에 적합한 안정적인 공정 설계가 필요하며 이는 산소요구도, 배양 온도 및 pH 등 발효 최적화와 함께 경제성 확보를 위한 배지 경 량화, 균주 내성 강화 연구가 포함된다. 또한 2) 대사 경로를 더욱 정밀하게 조작할 수 있는 효율적인 유전자 조작 기술 이 필요하고, 3) 비식용 바이오매스와 폐기물 유래 기질 등 저비용의 기질을 적극적으로 활용할 수 있는 플랫폼 균주 개 발이 요구된다. 또한 4) AI와 다중 오믹스 분석 결과 등의 데이터 축적을 통한 빅데이터 기반 균주 개발 연구도 활발히 진행되어야 한다.

   이와 함께 다양한 유질 효모의 특성을 이해하고 활용하는 연구를 통해 Y. lipolytica 외에도 다양한 유질 효모를 활용하여 새로운 산업적 응용 가능성을 탐구하는 것도 필요하다. 유질 효모를 이용한 미생물 세포공장 개발은 생명공학 기 반의 산업화 연구에 중대한 영향을 미칠 것이며, 지속 가능한 발전을 위한 열쇠로 작용할 것이라고 기대한다.

참고문헌

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2. S. S. Queiroz, F. M. Jofre, I. A. Bianchini, T. S. Boaes, F. W. Bordini, A. K. Chandel, M. G. A. Felipe (2023) Current advances in Candida tropicalis: Yeast overview and biotechnological applications Biotechnology and Applied Biochemistry 70:2069-2087

3. H. H. Liu, Y. L. Song, X. Fan, C. Wang, X. Y. Lu and Y. Tian (2021) Yarrowia lipolytica as an oleaginous platform for the Production of Value-Added Fatty Acid-Based Bioproducts. Frontiers in Microbiology 11:608662.

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8. Y. Zhao, S. Q. Liu, Z. H. Lu, B. X. Zhao, S. H. Wang, C. Y. Zhang (2021) Hybrid promoter engineering strategies in : isoamyl alcohol production as a test study. Biotechnology for Biofuels 14:149.

9. I. S. Jong, B. J. Yu, J. Y. Jang, J. Jegal and J. Y. Lee (2018) Improving the efficiency of homologous recombination by chemical and biological approaches in Yarrowia lipolytica. Plos One 13: 1-10.

10. C. Rigouin, S. Lajus, C. Ocando, V. Borsenberger, J. M. Nicaud, A. Marty, L. Averous, and F. Bordes (2019) Production and characterization of two medium-chain-length polydroxyalkanoates by engineered strains of Yarrowia lipolytica. Microbial Cell Factories 18:99.

11. S. M. Lee, J. Y. Lee, J. S. Hahn and S. H. Baek (2024) Engineering of Yarrowia lipolytica as a platform strain for producing adipic acid from renewable resource. Bioresource Technology 391:129920.

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