▲ 인천대학교 생명공학부 서명지 교수 (사진제공:인천대학교)  © 박상도 기자

(브레이크뉴스인천 박상도 기자) 인천대학교가 2일, 생명공학부 서명지 교수 연구팀이 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)이라는 산업용 미생물을 활용하여 고부가가치 천연 색소 소재인 박테리오루베린을 세계 최초로 생산하는 데 성공했다고 밝혔다.

인천대에 따르면, C50 계열의 카로티노이드 중 하나인 박테리오루베린(Bacterioruberin)은 천연 적색 색소 소재로서, 기존에 널리 알려진 C40 계열의 카로티노이드인 라이코펜(Lycopene) 및 베타-카로틴(beta-Carotene)보다 더 강한 항산화 효능을 가지고 있다고 알려져 있다. 

이를 바탕으로 박테리오루베린은 피부 건강 및 노화 방지, 면역 증진 등에 활용이 가능하여 건강기능식품 및 화장품, 의약 소재로 주목을 받고 있다.

하지만 지금까지 박테리오루베린은 염분이 매우 높은 극한 환경에서 서식하는 극호염성 고균을 통해 극소량만 생산할 수 있어 박테리오루베린이 지닌 뛰어난 효능에도 불구하고 대량 생산에 어려움이 있었다.

이를 해결하기 위하여 서명지 교수 연구팀은 합성생물학 및 대사공학 기술을 이용하여 박테리오루베린을 생합성하는 새로운 미생물 균주를 개발하고 정밀발효를 통해 이의 생산성을 향상시켰다. 

▲ 합성생물학 및 정밀발효 기반 산업 미생물인 코리네박테리움 글루타미쿰 활용 고부가 항산화 소재인 박테리오루베린 생산 과정의 모식도 (사진제공:인천대학교)  © 박상도 기자

연구팀은 안전성이 이미 입증된 코리네박테리움 글루타미쿰의 기존 대사 경로를 재설계하고 여기에 극호염성 고균인 할로페락스 마리눔(Haloferax marinum)의 박테리오루베린 생합성 핵심 유전자(lyeJ, crtD, cruF)를 주입하여 균주를 구축한 후 유가식 발효(Fed-batch fermentation)를 통해 9.74 mg/L 수준의 박테리오루베린 생산성을 확임함으로써 추후 박테리오루베린의 산업화 가능성을 제시했다.

이번 연구를 이끈 인천대학교 생명공학부 서명지 교수는 “이번 연구는 세계 최초로 코리네박테리움 글루타미쿰이라는 산업 미생물을 활용하여 박테리오루베린을 생산하였다는 점에서 첫 번째 큰 의의”가 있고 “안전한 산업 미생물로 값비싼 천연 희귀 색소 소재를 생산함으로써 기능성 바이오 소재의 생산 패러다임을 바꾸었다는 점에서 두 번째 큰 의의”가 있다고 밝혔다. 

또한, 서명지 교수는 “친환경 미생물 정밀발효 공정을 통해 지속가능한 고부가가치 소재의 공급이 가능하게 된 만큼 향후 건강기능식품 및 화장품 등 다양한 산업 분야에서 박테리오루베린이 널리 활용될 것을 기대하며 향후 생물공정의 최적화를 통해 박테리오루베린의 생산성을 더욱 높이는 추가 연구를 계속 이어갈 계획”이라고 밝혔다. 

해당 연구 결과는 조의상 박사(미네소타 대학교 박사후 연구원) 및 황치영 학생(인천대학교 박사과정 대학원생)이 공동 제1저자로 참여했으며, 국제 학술지인 바이오리소스 테크놀로지(Bioresource Technology)에 5월 12일자로 게재됐다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 개인기초연구사업의 ‘정밀발효 기반 코리네박테리움 글루타미쿰 시스템 재설계를 통한 근감소 완화 C50 카로티노이드 식의약 소재 개발' 과제(과제 책임자 인천대학교 서명지 교수)의 지원을 받아 수행됐다. 

*아래는 위 기사를 '구글번역'으로 번역한 영문기사의 [전문]입니다.‘구글번역’은 이해도 높이기를 노력하고 있습니다. 영문 번역에 오류가 있을 수 있음을 전제로 합니다.<*Below is the [full text] of the English article translated by ‘Google Translate’. ‘Google Translate’ is trying to improve comprehension. It is assumed that there may be errors in the English translation.>

Professor Seo Myung-ji’s research team at Incheon National University succeeds in producing the world’s first anti-oxidant material, Bacterioruberin, using microorganisms

-Break News Incheon Park Sang-do reporter

Incheon National University announced on the 2nd that Professor Seo Myung-ji’s research team in the Department of Biotechnology succeeded in producing the high value-added natural pigment material, Bacterioruberin, using the industrial microorganism Corynebacterium glutamicum for the first time in the world.

According to Incheon National University, Bacterioruberin, one of the C50 series carotenoids, is a natural red pigment material and is known to have stronger antioxidant effects than the widely known C40 series carotenoids, Lycopene and beta-Carotene.

Based on this, bacterioruberin can be used for skin health, anti-aging, and immune enhancement, and is attracting attention as a health functional food, cosmetic, and pharmaceutical material.

However, until now, bacterioruberin could only be produced in very small quantities through extremely halophilic archaea that live in extreme environments with very high salinity, making it difficult to mass-produce bacterioruberin despite its excellent efficacy.

To solve this problem, Professor Seo Myung-ji's research team developed a new microbial strain that biosynthesizes bacterioruberin using synthetic biology and metabolic engineering technologies, and improved its productivity through precision fermentation.

The research team redesigned the existing metabolic pathway of Corynebacterium glutamicum, whose safety has already been proven, and injected the core genes of bacterioruberin biosynthesis (lyeJ, crtD, cruF) of Haloferax marinum, an extremely halophilic archaea, into the strain to establish it, and confirmed the productivity of bacterioruberin at the level of 9.74 mg/L through fed-batch fermentation, thereby suggesting the possibility of industrializing bacterioruberin in the future.

Professor Seo Myung-ji of the Department of Biotechnology at Incheon National University, who led this study, stated, “This study has the first great significance in that it is the first in the world to produce bacterioruberin using an industrial microorganism called Corynebacterium glutamicum,” and “the second great significance is that it has changed the production paradigm of functional biomaterials by producing an expensive natural rare pigment material using a safe industrial microorganism.”

In addition, Professor Seo Myung-ji said, “Since the eco-friendly microbial precision fermentation process has enabled the supply of sustainable high value-added materials, we expect that bacterioruberin will be widely used in various industrial fields such as health functional foods and cosmetics in the future, and we plan to continue additional research to further increase the productivity of bacterioruberin through optimization of bioprocesses in the future.”

The results of the study were jointly first-authored by Dr. Cho Eui-sang (postdoctoral researcher at the University of Minnesota) and student Hwang Chi-young (graduate student in the doctoral program at Incheon National University), and were published in the international academic journal Bioresource Technology on May 12.

Meanwhile, this study was conducted with the support of the ‘Development of C50 Carotenoid Food and Drug Material for Muscle Loss Alleviation through Redesign of the Corynebacterium Glutamicum System Based on Precision Fermentation’ project (Project Manager: Professor Seo Myung-ji of Incheon National University) of the Individual Basic Research Project supported by the Ministry of Science and ICT.