이화여자대학교 식품생물공학연구실

최근 건강한 삶 (well-being)이 부각됨에 따라 식품, 제약, 화장품 산업에서는 다양한 생리활성을 지니고 있는 carotenoids, terpenoids, flavonoids와 같은 기능성 소재의 수요가 급증하고 있다. 하지만 이러한 기능성 소재들은 대부분 발효식품이나 식물체 내에 소량 존재하며 분자구조가 복잡하여 기존의 추출 정제나 화학 합성 기술로는 경제적인 생산이 어렵다.

식품생물공학 연구실에서는 이러한 기능성 신소재의 대량생산을 위해 BT를 기반으로 한 신기술 개발을 연구하고 있다. 구체적으로 미생물 대사공학, 효소공학, 분자생물학, 생물화학공학등의 첨단 기술을 활용하여 생물 촉매 및 생물공정의 디자인, 최적화 등을 수행하고 있다.

식품생물공학 연구실에서는 새로운 기능성과 풍미를 지니는 발효식품의 개발에 대한 연구도 진행 중이다. 구체적으로 식품 미생물과 식품 원료에 대한 지식과 경험을 바탕으로 발효 미생물의 선별, 대사 분석, 조절과 식품 원료의 전처리와 조합에 의해 기능성과 풍미가 강화된 새로운 발효식품 개발에 대한 연구를 수행하고 있다.

최근에는 전남대 김정선교수 연구실과 공동으로 C1/C2 화합물로부터 C2 이상의 고부가 소재 생합성을 위한 신규 효소 탐색, 구조 기반 효소반응 메카니즘 규명, 효소구조재설계, 신규 생물전환 경로 구축, 생촉매 개발 등을 연구하고 있다.

식품생물공학 연구실은 학부에서 식품공학, 식품영양학, (생)화학, 또는 생물학을 전공한 학생들이 큰 어려움 없이 생물공학의 기초에서 응용까지 폭넓게 공부할 수 있는 여건이 마련되어 있으며, 졸업 후에는 삼성바이오, CJ, 두산, 삼양제넥스와 같은 식품회사 뿐만 아니라 제약, 화장품회사의 연구소에서 활동할 수 있다.

지방/지방산은 자연계에 널리 존재하고 있으나 식용유로 주로 사용되고 있고, 바이오디젤 등의 연료/케미컬 생산에 제한적으로 사용되고 있다. 본 연구실에서는 재생 가능한 지방/지방산으로부터 효소공학/합성생물학/대사공학 기술을 바탕으로 ω-hydroxycarboxylic acid, ω-aminocarboxylic acid, α,ω-dicarboxylic acid, long-chain aliphatic amines, long-chain aliphatic esters 등과 같은 고부가 소재 생합성 기술을 연구하고 있다.

한 가지 예로 피마자 기름의 주성분인 리시놀레산으로부터 대장균 기반의 전세포 생촉매를 이용하여 long-chain aliphatic amines와 중쇄지방산의 전구체인 long-chain aliphatic esters를 고수율로 생합성하는 연구를 수행하였고, 연구 결과들은 2020년 Angewandte Chemie International Edition에 발표되었다.

지방산이나 폴리페놀과 같은 소수성 유기화합물의 생물전환, 특히 수산화기를 도입하는 생물전환을 위한 전세포 촉매 개발에 대한 연구를 수행하고 있다. 반응 기질과 반응 산물에 대하여 내성이 높고 반응에 필요한 보효소(NAD(P)H)를 효율적으로 재생하고 반응 기질이나 반응 산물의 transport 효율이 높은 생촉매 개발에 대한 연구를 수행하고 있다. 한 가지 예로 대장균에 Caveolae 엔도좀 형성을 유도하여 지방산의 수송 및 내성을 향상시켰고, 연구 결과들은 2019년 ACS Synthetic Biology에 발표되었다.

또한 산화반응 중 일어나는 다양한 생물전환 효소들의 불활성화 메커니즘을 규명하기 위하여 모델링과 시뮬레이션 방법을 이용하고 이를 기반으로 산화 안정성 및 열 안정성과 반응 활성 향상을 위한 효소 engineering도 수행하고 있다.

발효 식품의 기능성을 강화하기 위한 방안으로 식품 발효 중 생리활성 물질을 생산할 수 있는 미생물을 선별 분리 개량하여 식품 발효에 이용하는 연구를 수행 한다. 예를 들어 콩 발효 중 콩 유래 아이소플라본을 equol과 같은 기능성이 뛰어난 물질로 전환시킬 수 있는 미생물을 분리하여 이들의 발효특성을 살펴보고 생물전환 활성을 강화시킨 후 콩 발효에 스타터로 이용하는 연구를 수행하고 있다.

C2 화합물인 아세트알데하이드로부터 C4 화합물인 R-특이적 아세토인을 생산하기 위해 C-C 결합 생성 활성을 가진 효소군의 라이브러리를 구축하였으며, 구조 및 반응 특성을 조사하여 생물전환속도가 빠르고 높은 광학활성을 보이는 효소를 선별하였다 (Figure 3 참조). 또한 효소/단백질 구조 분석 전문가인 김정선교수 연구실과의 공동연구를 통해 새로운 효소의 3차 구조와 효소 활성 자리를 결정하였고 이를 기반으로 C2 전환용 효소 반응 메커니즘을 규명하였다. 연구 결과들은 2020년 Catalysis Science & Technology에 발표되었다.

C1 가스의 고부가화를 위한 신규 C-C 결합 생성용 효소 및 생물전환 시스템도 연구하고 있다. 최근 김정선교수 연구실과의 공동연구를 통해 C1 화합물인 포름알데하이드로부터 C2 화합물인 글리코알데하이드를 선택적으로 생합성 할 수 있는 신규 효소를 확보하였고, 이를 활용하여 glycolic acid 생합성을 연구하고 있다. 또한, C1 가스로부터 C2 이상의 고부가 소재를 고속으로 생산하기 위한 엔도좀/엑소좀 기반의 새로운 생물전환 시스템 개발도 연구하고 있다.

연구기간	연구과제명	연구비	지원기관
2010.12 - 2019.03	해조류 활용 C9 카르복실산 기반 장쇄바이오폴리에스터/나일론 생산기술 개발	6억/년	해양수산부
2013.06 - 2018.05	지방/지방산으로부터 장쇄디카르복실산의생물/화학적 전환기술 개발	2.5억/년	산업통상자원부
2020.03 - 2023.02	지방산 유래 고부가 소재 생합성을 위한 산화효소 활성 향상 연구	2.5억/년	과학기술정보통신부
2021.01 - 2024.12	C1 가스 부가가치 증대를 위한 C-C 결합 생성용 생촉매 시스템 개발	3억/년	과학기술정보통신부
2022.07 - 2025.12	생분해성 플라스틱 제조용 바이오락톤 소재 기술개발	6억/년	과학기술정보통신부
2023.03 - 2025.03	지방산과 지방산 감응 수용체 및 조절인자의 상호작용 규명을 통한 지방산 유래 고부가 식품/바이오 신소재 개발	2.5억/년	과학기술정보통신부

연구과제

Biotransformation을 이용한 지방/지방산의 고부가 기술 개발

Biotransformation을 위한 고성능 생촉매 개발

Biotransformation을 통한 발효 식품의 기능성 강화

C-C 결합 생성용 효소/생촉매 개발 연구

RESEARCH