인류는 식품 방부제에서 의약품, 화장품, 바이오 연료에 이르기까지 거의 모든 것에 화학 물질을 사용하고 있다. 이에 인류는 전 산업적 규모에서 지속 가능하고 저렴하게 화학 물질을 제조하는 대안을 찾는 일이 필수가 되었다.
특히 바이오 연료 및 의약품에 사용되는 고부가가치 화학 물질은 박테리아를 통해 제조될 수 있는데, 박테리아의 화학 반응을 전환하여, 즉 그들의 화학 반응에 스위치를 켬으로써 새로운 제품을 생산하는 방식이다. 그리고 현재 영국의 워릭대학교(the University of Warwick) 연구팀이 이러한 스위치를 켜는 비용을 대폭 절감할 수 있는 방법을 찾아냈다.
박테리아는 소위 천연의 미세 화학 공장으로 볼 수 있고, 수많은 연구자들은 복잡한 화학 반응 네트워크를 재배열하여 포도당과 같은 값싼 공급 원료를 우리가 사용할 고부가가치 화학 제품으로 전환할 수 있는 방법을 찾으려 노력해오고 있다. 이런 면에서 워릭대학교 연구팀이 박테리아의 유전자 스위치를 활용하여 박테리아의 화학 반응을 재구축하는 것은 합성 생물학 분야에서 매우 흥미로운 발전이라 할 수 있다.
일반적으로 유전자 스위치는 인듀서(inducer)라는 화학 물질을 통해 켜지게 된다. 인듀서는 유도물질로 효소합성촉진을 야기시키는 물질이다.
그러나 인듀서는 우선 가격이 고가이다. 그리고 잠시 뒤에 스위치가 다시 꺼지는 것을 방지하기 위해 지속적으로 추가해야 하는 경우가 많다. 이로 인해 인듀서를 통한 스위칭 방식은 비용이 많이 들고 산업적 규모의 생산으로 확대하기에는 경제적으로 불가능하다.
이에 워릭대학교 연구팀은 비행 제어 시스템에서 일반적으로 사용되는 ‘피드백 제어 루프(feedback control loops)’의 수학적 모델과 공학 원리를 사용하여, 원래대로 돌아가려는 성향을 제거한 ‘박테리아 내의 유전자 스위치를 설계하는 방법’을 발견했다. 저렴한 천연 영양소의 펄스만 추가하면 세포를 화학적 생산 모드로 영구적으로 전환할 수 있게 된 것이다. 이로 인해 비용은 대폭적으로 절감된다.
박테리아를 화학적 생산 모드로 영구적으로 변환시키는 역량은 ‘미생물로부터의 화학 물질 생산’을 경제적으로 의미있는 규모까지 확대하는 것을 실현하는 데 있어 엄청난 진전이라 할 수 있다.
물론 이러한 스위치 방식은 거의 모든 화학 물질의 합성을 위해 산업적으로 관련된 수많은 미생물에 널리 적용할 수 있어야 할 것이다. 따라서 연구의 다음 단계는 이 방식을 적용하기 위한 화학적 로드맵의 위치를 이해하고 기존 공정에 쉽게 통합할 수 있도록 각 산업군과 협력을 모색하는 것이다.
워릭대학교 연구팀은 최첨단 합성 생물학 기술을 활용하여, 우선은 실험실에서 시작되었지만, 비가역적 스위치를 구성하기 위한 프레임워크를 마련했다. 이 연구가 더 발달하면, 화학 산업에서 고부가가치 화학 물질을 만드는 방식에 큰 변화를 가져오고, 인간이 재생 불가능한 자원에 대한 의존에서 벗어나 친환경적이고 깨끗한 미래를 위해 지속 가능한 생화학 물질을 합성할 수 있게 될 것이다.
[GT] Designing an irreversible metabolic switch for scalable induction of microbial chemical production
Mankind uses chemicals for almost everything, from food preservatives to pharmaceuticals to cosmetics to biofuels. It essential to seek alternative ways to manufacture chemicals, on an industrial-scale, sustainably and cheaply - paving the way to a greener cleaner future.
As we’ve reported in previous issues, high-value chemicals used in biofuels and pharmaceuticals can be made from bacteria by switching their chemistry to produce novel products. Now, researchers from the University of Warwick have found a way to drastically cut the cost of turning on these switches.
Bacteria can be seen as nature’s micro-chemical factories, and many researchers are trying to understand how their complex network of chemical reactions can be re-wired to convert cheap feedstock like glucose into high-value chemical products for our use. Using genetic switches to redirect the bacteria’s chemistry is an exciting development in the field of Synthetic Biology.
Typically, genetic switches are turned on by adding a chemical called an inducer. However, inducers are expensive, and often need to be constantly added to prevent switching back off, analogous to a “light switch with a spring in it” that turns back off when you let go. This makes this switching approach expensive and so scaling up to industrial production is economically infeasible.
Using mathematical models and the engineering principles of feedback control loops, commonly used in flight control systems, the researchers discovered how to design a genetic switch in bacteria that removes the reverting “spring,” so that adding only a pulse of a cheap natural nutrient can switch the cell to chemical production mode permanently - drastically cutting costs.
The ability to switch bacteria into chemical production mode permanently is a massive step forward to realizing the economically viable scale up of chemical production from microbes.
This switch should be widely applicable to many industrially relevant microbes for the synthesis of almost any chemical. The next steps of our research would be to uncover the principles to understand where in the chemical roadmap to apply this “traffic light” and perhaps look to collaborating with industry where it could be readily incorporated into existing fermentation processes.
Using cutting-edge synthetic biology techniques this work has laid out the framework for constructing the proposed irreversible switch in the lab. Not only could this work change the way chemical industries make high-value chemicals, it also contributes to the larger vision for how humans can move away from reliance on non-renewable resources, to enabling sustainable synthesis of biochemicals, for a greener and cleaner future.