배양육 사용후폐배지를 생분해성 바이오플라스틱 생산 자원으로 전환하는 반추위 유래 기능성 미생물 균주 발굴

[연구필요성]

배양육은 미래 식품 산업의 대안으로 주목받고 있지만, 생산 과정에서 사용된 세포배양용 배지는 배양육 사용후폐배지(cultivated-meat spent medium, CSM) 형태로 다량 발생한다. CSM에는 세포가 모두 소비하지 못한 유기물, 질소 성분, 잔류 영양분이 남아 있어, 처리에 비용과 환경 부담이 뒤따른다. 배양육 산업의 지속가능성은 생산 효율과 함께 폐배지의 처리 및 자원화 기술 확보에 달려있다.

기존 배양육 연구는 주로 세포 성장 촉진, 배지 조성 개선, 생산 비용 절감, 배지 재사용 가능성에 초점을 맞춰 왔으며, 사용 후 배지를 바이오소재 생산으로 연결하는 연구는 부족했다. CSM에서 성장 가능한 미생물 자원, CSM의 오염 부하를 맞추는 균주의 특성은 아직 밝혀지지 않았으며, CSM에 남은 유기 탄소와 영양분이 바이오소재 생산으로 이어질 가능성도 충분히 검증되지 않았다.

연구팀은 이러한 공백에 주목해 반추위 유래 미생물 중 CSM에서 생장 가능한 균주를 선별하고, CSM 처리와 poly(3-hydroxybutyrate, PHB) 생산을 동시에 수행하는 고기능성 균주를 분리하고자 하였다.

[연구성과/기대효과]

서울대학교 농업생명과학대학 농생명공학부 김영훈 교수 연구팀은 반추위 유래 미생물 자원에서 배양육 사용후폐배지인 CSM을 활용할 수 있는 균주를 선별하고, Brevibacillus fluminis SLAM AEPS10이 CSM에서 생장하며 생분해성 바이오소재인 PHB를 생산한다는 사실을 확인했다. 연구팀은 29개 반추위 유래 균주를 대상으로 CSM 생장성과 PHB 생산 가능성을 조사했으며, 그 중 AEPS10이 CSM 처리와 PHB 생산을 동시에 수행하는 핵심 균주로 확인됐다.

AEPS10은 CSM 배양 72시간 후 생존율을 유지하면서 생물학적 산소요구량(BOD), 총유기탄소(TOC), 암모늄 농도를 각각 77.8%, 62.7%, 46.5% 낮췄다. 동시에 AEPS10은 CSM 내 잔류 탄소원을 활용해 PHB를 축적했으며, Nile Red 염색과 단일세포 분석을 통해 세포 내부 PHB 과립 형성을 확인했다. 또한 FT-IR, NMR, GC-FID 분석을 통해 AEPS10이 생산한 고분자가 PHB homopolymer임을 검증했다.

연구팀은 유전체 분석을 통해 AEPS10이 PHB 합성과 관련된 phaC 유전자를 포함한 유전자군을 보유하고 있음을 확인했다. 반면 CSM에서 생장했지만 PHB를 생산하지 않은 비교 균주와의 유전체 비교를 통해, CSM 활용 능력과 PHB 생산성이 균주 수준에서 달라질 수 있음을 제시했다. 이번 연구는 배양육 대량생산공정에서 새 사용후폐배지를 단순 처리 대상에서 미생물 기반 바이오소재 생산 자원으로 전환할 가능성을 보여줬으며, 확대되고 있는 배양육 산업의 폐자원 관리와 생분해성 플라스틱 생산을 연결하는 순환형 생물공정 및 업싸이클 원천기술 개발의 기반을 마련했다.

[본문]

□ 서울대 농업생명과학대학 연구팀, 배양육 사용후폐배지를 생분해성 바이오플라스틱 생산 자원으로 전환하는 반추위 유래 기능성 미생물 균주 발굴.

그림 1. 반추위 유래 기능성 균주를 통한 배양육 사용후폐배지의 바이오소재 전환

서울대학교 농업생명과학대학 농생명공학부 김영훈 교수 연구팀은 배양육 생산 과정에서 발생하는 세포배양 사용후폐배지(cultivated-meat spent medium, CSM)를 미생물 기반 공정으로 처리하고, 동시에 생분해성 바이오플라스틱인 poly(3-hydroxyubtyrate, PHB)를 생산할 수 있는 균주 발굴 연구내용을 Environmental Technology & Innovation (IF=7.1; JCR 상위 8.8 [BIOTECHNOLOGY & APPLIED MICROBIOLOGY 분야 16/177]).

연구팀은 AEPS10을 CSM에서 배양한 뒤 생장성, 오염 부하 저감, PHB 축적 능력을 분석했다. AEPS10은 CSM 배양 72시간 후 생존성을 유지했으며, 생물학적 산소요구량(BOD), 총유기탄소(TOC), 암모늄 농도를 각각 77.8%, 62.7%, 46.5% 낮췄다. 이는 AEPS10이 CSM 내 잔류 유기물과 질소 성분을 활용하며 배양육 사용후폐배지의 오염 부하를 줄일 수 있음을 보여준다.

그림 2. 분리 균주를 활용한 배양육 사용후폐배지 업싸이클 기술과 바이오 소재 생산

연구팀은 AEPS10이 생산한 고분자의 정체를 확인하기 위해 FT-IR, NMR, GC-FID 분석을 진행했다. 분석 결과, AEPS10에서 회수된 고분자는 PHB 고유의 화학적 신호를 보였으며, 최종적으로 PHB homopolymer로 확인됐다. 이는 AEPS10이 CSM을 활용해 실제 생분해성 바이오플라스틱 소재를 생산한다는 점을 화학적으로 검증한 결과다.

동시에 AEPS10은 CSM에 남아 있는 탄소원을 활용해 PHB를 세포 내부에 축적했다. 연구팀은 Nile Red 염색과 단일 세포 이미지 분석을 통해 AEPS10 세포 내부에서 PHB 과립이 형성됨을 확인했다. AEPS10은 72시간 배양 후 15.83 mg/L의 PHB를 생산했으며, 포도당 보충 조건에서는 PHB 생산량이 최대 80 mg/L까지 증가했다. 이는 CSM의 탄소 조성이 PHB 생산성과 연결되며, 탄소 공급 조절을 통해 생산성을 높일 가능성을 시사한다.

그림 3. PHB 생산 후보 균주의 성장성과 세포 내 과립 형성 분석

또한 연구팀은 유전체 분석을 통해 AEPS10이 PHB 합성과 관련된 phaC 유전자를 포함한 유전자군을 보유하고 있음을 확인했다. CSM에서 생장하지만 PHB 생산성이 낮은 균주와 비교한 결과, AEPS10은 PHB 생산과 관련된 유전적 특성을 지니고 있었다. 연구팀은 이를 통해 CSM 처리 능력과 PHB 생산성이 단순 생장성만으로 설명되지 않으며, 균주별 유전체 특성과 탄소 대사 능력이 함께 작용할 가능성을 제시했다.

그림 4. PHB 합성 유전자군 및 관련 단백질 서열 분석

이번 연구는 서울대학교 동물성식품학 연구실 조철훈 교수팀의 “알키미스트 프로젝트 아티피셜 에코푸드” 과제수행 중에 생산되는 CSM을 활용해, 배양육 생산 후 발생하는 사용후폐배지를 미생물 기반 바이오소재 생산 자원으로 전환할 가능성을 보여줬다. AEPS10은 CSM의 오염 부하를 낮추면서 생분해성 바이오플라스틱 PHB를 생산했으며, 배양육 생산 연구와 미생물 공정 연구를 연결해 배양육 사용후폐배지 처리와 고부가가치 소재 생산을 하나의 미생물 공정으로 제시했다.

연구에 참여한 김정헌 연구원은 “이번 연구는 동물성식품학 분야의 배양육 연구와 동물 유래 기능성 마이크로바이옴 기반 바이오소재 연구가 결합된 융합 연구로, 배양육 산업에서 발생하는 사용후폐배지를 탄소 재순환과 생분해성 소재 생산의 출발점으로 활용할 가능성을 제시했다”며 “향후 배양육을 포함하는 세포농업 유래 폐자원 관리와 바이오소재 생산을 연결하는 순환형 생물공정 개발에 기여가 기대된다”고 말했다.

본 연구는 한국산업기술기획평가원 “알키미스트 프로젝트 아티피셜 에코푸드”와 농촌진흥청 “대두박 및 콩대·볏짚 유래 친환경 소재 기술 개발” 과제의 지원 하에 수행되었다.

[연구결과]

Polystyrene-degrading bacteria modulate host stress and toxicity responses to microplastic exposure in Caenorhabditis elegans


Min-Geun Kang , Daniel Junpyo Lee , Arthur Junghun Kim , Ki Beom Jang , Anna Kang , Youbin Choi , Jihyun Yoon , Eunsol Seo , Younghoon Kim

(The ISME Journal, https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag051)