신종식 교수 연구팀, 광학활성아민 생산기술 개발

대장균세포 대사경로를 재설계하다

신종식 교수(생명공학과) 연구팀이 대장균세포에 신규 생촉매를 도입해 대사경로를 재설계했다. 이로써 포도당을 조기질 전구체로 사용한 탈라세믹화 반응을 통한 광학활성아민 생산기술을 개발했다.

광학활성아민은 카이랄 중심을 갖는 아민으로 다양한 의약품의 중간체 및 정밀화학제품에 광범위하게 사용된다. 이러한 광학활성물질이 서로 거울 대칭인 관계에 있을 때 거울상이성질체, 두 개의 거울상이성질체를 1:1로 섞은 것을 라세믹혼합물이라 한다. 생체 내 효소는 거울상이성질체 중 한 종류만을 인식하기 때문에 광학활성물질은 생물학적으로 상이한 효과를 나타내게 된다. 따라서 제약산업에서는 순수한 형태의 광학활성물질을 생산하여 사용하는 것이 중요한 이슈이다.

광학활성아민을 화학적으로 합성할 경우 두 개의 거울상이성질체가 모두 형성되어 광학순도가 높지 않고, 이를 분리･정제하는 공정이 추가로 요구된다. 최근에는 생명체가 사용하는 촉매제인 효소를 사용한 합성법이 많이 연구되고 있는데, 이 경우 고순도의 광학활성아민을 친환경적으로 생산할 수 있어 화학적 합성법의 대안으로 여겨지고 있다.

생명공학과 신종식 교수 연구팀은 광학선택성이 다른 두 개의 아민전이효소 반응을 열역학적･반응속도론적으로 제어하여 라세믹 아민 혼합물을 하나의 광학활성아민으로 전환하는 탈라세믹화 광학활성아민 생산법을 새로이 개발했다.

[그림 1] 대장균 세포의 대사경로 재설계를 통한 탈라세믹화 광학활성아민 생산기술의 모식도

아민전이효소를 통한 탈라세믹화 반응은 여러 가지 부반응들로 인해 이를 통해 광학활성아민을 생산하는 것은 심각한 문제가 있었다. 연구팀은 이러한 심각한 부반응들을 공정제어 및 단백질공학 기법을 통해 억제함으로써 탈라세믹화 광학활성아민 생산공정의 개발에 성공했다. 또한 이를 대장균세포에 도입하여 대사경로를 재설계함으로써 포도당을 조기질 전구체로 사용한 탈라세믹화 세포반응을 최초로 확립했다.

신종식 교수는 “이번 연구 결과를 통해 기존 방법보다 진일보한 아민 생산의 생물공정을 통해 국내외적으로 큰 시장이 형성되어 있는 광학활성아민 기반의 의약품 소재분야에서 세계적인 수준의 생산 공정을 확립할 수 있을 것”이라고 설명했다.

한국연구재단 미래창조과학부의 지원을 받아 수행된 본 연구 성과는 화학분야 세계적 권위의 학술지인 ‘에이씨에스 캐털리시스(ACS Catalysis)’(2018 IF=12.221)에 2019년 8월호 표지 논문으로 선정됐으며, 지난 8월 2일 게재됐다.