건국대학교 윤형돈 교수(시스템생명공학과), 허용석 교수(화학과), 금영수 교수(식량자원과학과) 연구팀이 공동으로 리그노셀룰로오스에서 얻은 바이오 기반 페룰산(Ferulic acid)을 이용해 효소만으로 천연물 캡사이시노이드를 합성하는 혁신적인 생물공정 기술을 개발했다. 이번 연구 성과는 화학 분야 국제 저명 학술지 ‘앙게반트어 케미 인터내셔널 에디션’(IF=17)에 지난 10월 7일 온라인 게재됐다.

캡사이시노이드는 고추의 매운맛 성분인 캡사이신을 포함하며, 항염·진통·항비만 등 다양한 생리활성을 지닌 천연물로 의약품, 식품, 화장품 산업 등에서 폭넓게 활용된다. 그러나 기존의 화학 합성 방식은 부반응이 많고 환경적 부담이 크며, 미생물의 기존 대사 경로는 효율이 낮아 고효율 생산이 어려웠다. 이에 공동 연구진은 합성생물학적 접근을 통해 새로운 생합성 경로를 설계하고, 그에 필요한 최적 효소를 발굴해 효율적인 생물공정을 구축했다.

연구진이 개발한 생물공정은 페룰산을 출발 물질로 하는 2단계 효소 모듈 시스템으로 구성돼 있다. 첫 번째 ‘바닐릴아 모듈’에서는 페놀산 탈탄산효소, 방향족 이산소화효소, 트랜스아미나제를 연계해 페룰산을 바닐릴아민으로 전환했다. 두 번째 ‘캡사이시노이드 합성 모듈’에서는 카복실산 환원효소의 아민화 반응을 이용해 바닐릴아민과 지방산을 결합시켰으며, 폴리인산 키나아제를 통해 ATP를 재생해 효소 반응의 에너지 효율을 높였다.

또한 합성경로에서 생성되는 바닐린과 바닐릴아민 중간체는ㅂ 향료와 의약품 원료로 활용 가능한 고부가가치 화합물로, 본 공정의 산업적 확장성과 응용 가능성을 한층 높인다.

이번 연구에서 윤형돈 교수 연구팀은 합성 경로 디자인과 고활성 효소 발굴, 생물 전환 공정 개발을 수행했다. 허용석 교수 연구팀은 핵심 효소인 트랜스아미나제의 구조 분석과 반응 메커니즘 규명을 담당했으며, 금영수 교수 연구팀은 생성 화합물의 질량 분석을 통한 정밀 검증을 수행했다.

본 연구에는 건국대 시스템생명공학과의 타레쉬 코브라가데 박사가 제1저자로 참여했으며, 윤형돈·허용석 교수가 교신저자, 금영수 교수가 공동 저자로 참여했다. 이번 연구는 한국연구재단의 기초과학연구지원사업, 바이오·의료기술개발사업, 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.