해양바이오 기반 청정 기능성·산업소재 대량생산 기술 개발

Abstract

1. 연구개발목표 ○ 해양ㆍ극한 생물자원을 활용한 산업소재 대량생산 플랫폼 구축 및 활용 - 비광합성 해양·극한 미생물 기반 가스전환 플랫폼 구축활용기술 개발 - 농축 고염분수 활용 기능성 해양생물원료 대량생산/산업소재 개발 - 수층별 서식범위에 따른 복합생물자원생산 및 이를 이용한 레저/관광 자원화 기반기술개발

2. 연구개발성과 ○ 신규 미생물자원 확보 - 지속적 자가영양미생물 탐색을 통해 아세토젠 7종 10주, 메타노젠 2종 3주, 황산화 및 환원 5종 5주 등 신규 미생물 23종 27주 확보 - 확보 미생물로부터 3종의 신종 보고 및 1종 신속 발표 준비 - 자가영양미생물 4종 등 10종 12주의 유전체 해독을 통한 대사과정 이해 - 기 확보 미생물 2종의 C1 화합물 대사특성 규명 및 배지조성 최적화 ○ 가스발효 OD 10< - AWRP 균주의 개량과 배지 최적화 등을 통해 acetate 생산성 12 g/L/d 달성 - acetate 첨가를 통한 CO 발효 개선 : ethanol 232 mM, 2,3-BDO 23 mM 등 각각 2.9, 2.3배 증가 효과 - Hydrogenovibrio속 미생물의 배양조건 최적화를 통해 최대 OD 16.8 도달 - Clostridium sp. AWRP의 대사공학을 통해 가스로부터 신규 C3 화합물 생산 성공 - 가스 전환 미생물의 CRISPR/Cas12 유전체 편집 시스템 구축 ○ 미세조류 배양 및 효능 연구 - 최대 30톤 규모 배양조에서 Dunaliella salina 58.0 ± 1.5 g/m2/d, Tetraselmis sp. 57.0 ± 1.2 g/m2/d의 생산성 달성 - 200L급 미세조류-미생물 하이브리드 배양조 제작 및 실용화 연구 수행 (미세조류 생산성 향상, 미생물 바이오에탄올 생산, 미생물 이산화탄소 저감 모델) - Tetraselmis sp.으로부터 lutein을 주성분으로 하는 carotenoids 추출물을 제작하였고, 제작된 추출물은 항염증 효능이 우수하였으며 작용기전을 확인함 - Dunaliella salina의 polysaccharides 추출물은 galactose 및 glucose 함량이 높고 항산화 효능(IC50=4.3mg/ml)이 높게 나타났으며 작용기전을 확인함 - D. salina의 추출물은 피부 보호, 조골세포 분화기능도 보유함을 확인하고 이의 활용을 위한 창상치료 피복제 제작 평가 - 두 종류의 미세조류 추출물의 성분 분석, 독성 평가, 기능 평가 등 식약처 인증을 위한 자료 획득 ○ 해조류 배양 및 효능 연구 - 1톤 규모 구멍갈파래 배양조 및 5톤 규모 우뭇가사리 배양조 각 2기 제작-배양 - 구멍갈파래 추출물, 원물 발효물, 추출물 발효물을 각각 제작하여 보습활성 측정결과 구멍갈파래 추출물 및 원물 발효물에서 보습활성이 높게 나타났으나 활성을 갖는 농도가 높아 추가실험 필요 - 구멍갈파래 발효물은 유방암 억제효과를 보임 - 구멍갈파래로부터 펙틴 추출공정을 확립하고 추출된 펙틴을 장 건강 활성측정을 위한 동물실험 진행결과 장 내 수분 흡수에 도움을 주어, 분변 중 수분함유량 증대 및 소화관 이동을 활발하게 함으로써 변비 증상을 예방효능 확인. 염증을 촉진 시키는 인자인 TNF-α, IL-1β 및 NF-κB의 과발현을 구멍갈파래 펙틴이 개선시키는 효과를 확인 - 우뭇가사리로부터 효소발효물 제조 대량공정을 확립하고 획득된 산물의 기능성을평가한 결과 보습활성이 저농도에서 높게 나타났고(IC50=0.5mg/ml) 미백에도 효능을 나타냄 ○ 해양미생물 배양 및 효능연구 - 고염에서 성장하는 미생물 3종에 대한 배양 - Pseudoalteromonas rubra 주정추출물은 섬유아세포에 대해 성장을 1.5배 증가시키고 콜라겐 합성능력을 1.8배 증가시킴 - Brevibacterium epidermidis 물추출물은 골세포 분화능력을 2.4배 증가시키고 골조직의 미네랄화 활성이 매우 높음 - Pseudoalteromonas xiamenensis는 생균 상태로 지브라피쉬 유생에 노출시 고온 및 질병저항력이 높아짐 - Zebra fish를 이용하여 위 미생물의 장내세균군집 안정화, 면역조절 등 기작 확인 ○ 수층공간별 수질 환경 및 먹이생물 분포 특성 - 계절에 따른 기초 해양환경 변화 (수온, 염분, 먹이생물 등)에 따라 대상종의 양식 환경에 적합한 수층에 양식시설의 설치를 위한 연속 자료 확보 - 차세대염기서열 분석을 실시하여 월별 수층공간별 식물플랑크톤 분포 특성 파악 - 연승식 심층 양식시설 설계 및 가리비 등의 양식에 시험 적용하여 심층 양식의 우수성을 확인 ○ 병원체 진단기술 확립 - 차세대염기서열 분석을 실시하여 월별 병원성 바이러스 분포 특성 및 출현 종 목록 작성하였으며 가리비를 대상으로도 감염 바이러스 목록 작성 - 양식장 인근 해역의 미생물 군집 변화 모니터링 - PCR 기반 바이러스 진단기술 개발 ○ 양식어장 부착생물 관리방안- 양식장 주변 유생 발생 및 부착생물 출현 양상 파악 - 환경 조건, 수심 등에 따른 부착생물 강비 특성 파악 - 부착생물에 영향을 미치는 저서동물 및 유생 분포 파악 ○ 통영해역에서 활용 가능한 해중공원 모델 개념 설계 완료 ○ 종합 성과 정리 - C1 가스 기반 연료, 산업 원료 생산과 관련하여 다수의 신규 자가영양미생물을 확보하였으며 연구팀 내 모델미생물로 Clostridium sp. AWRP의 적응진화 및 유전자 편집을 통한 개량, 배지 최적화, 배양기술 고도화 등을 통해 산물 다변화 및 조절, 최대 12 g/L/d의 아세트산 생산성 도달 - 고염해수를 이용한 대규모 미세조류 배양기술 확립과 추출물 제조 및 바이오매스의 발효 등을 통해 항염, 항산화, 항암 기능성 물질의 발굴 및 활용에 필요한 제반 정보를 준비함 - 관련 미생물의 조골세포 분화기능, 섬유아세포 성장 촉진, 모델 어류의 질병 저항 및 온도 내성 증가 등의 활용성 확인 - 해조류 펙틴의 창상 치료제로의 기능 검증 및 제형 개발 - 해양환경의 장기 모니터링, 먹이생물 및 부착생물 변동 등을 고려하여 연승식 양식 시설 설계, 설치, 시험평가 결과 가리비 양식에서 우수한 결과 확인 - 병원체 검출기술 확립 및 해중공간 활용을 위한 해중공원 개념도 작성

3. 연구개발성과 활용계획 및 기대효과 ○ 비광합성 탄소고정 및 탄소대사 능 해양유래 우수 균주 확보로 응용기술 개발에 필요한 원천자원 및 기술 제공 ○ 대사공학/합성생물학 기술을 이용하여 재조합 균주-유용물질 생산 시스템에 응용 ○ 유용물질 생산 산업용 균주를 확보하여 국내 해양바이오기술 선진화 ○ C1가스, 해양바이오매스로부터 유용물질생산 기술 개발에 적용 ○ 농축 고염분수 기반 유용 해양생물자원의 안정적 대량생산 통한 산업화 기반 마련 ○ 연안, 근해 해양생물자원증대 및 자원조성기술 사업에 활용