미생물로 만드는 눈 건강: 차세대 루테인 공정

시스템 대사공학 전략과 전자 전달 효율을 높인 효소 채널링 기술을 적용해, GRAS 미생물인 Corynebacterium glutamicum에서 세계 최초로 g/L 규모의 루테인 생산에 성공했다. 이는 기존의 식물 기반 루테인 추출 방식을 대체할 수 있는 새로운 생산 패러다임을 제시한다.  루테인은 계란 노른자, 과일, 채소 등에 존재하는 황색 카로티노이드 계열의 항산화 성분이다. 특히 눈의 황반을 보호하고, 노화성 황반변성 및 백내장의 발병 위험을 낮추는 기능성 물질로 잘 알려져 있다. 현재 시중에 유통되는 루테인의 대부분은 메리골드 꽃에서 추출되고 있으나, 재배에 많은 시간과 인력이 필요하고 추출 효율이 낮아 대량 생산에 한계가 있다. 이러한 이유로 대체 생산 기술에 대한 수요가 지속적으로 증가해 왔다.   KAIST 연구팀 (연구자: 은현민 박사, 신디 박사, 이상엽 특훈교수)은 이러한 문제 해결을 위해 식품 및 의약품 산업에서 널리 사용되는 안전성 인증 미생물 (Generally Recognized As Safe, GRAS)인 코리네박테리움 글루타미쿰 (Corynebacterium glutamicum)을 기반으로 시스템 대사공학 기술을 적용하였다. 기존에 연구되었던 대장균 기반 미생물 생산 방식과 달리, 코리네박테리움 글루타미쿰은 내독소가 존재하지 않아 안전성이 높으며, 산업 발효 공정에 적합하다는 장점이 있다.   연구 결과는 “Gram-per-litre scale production of lutein by engineered Corynebacterium”라는 제목으로 Nature Synthesis지에 게재되었으며, 2025년 10월호 Nature Synthesis의 표지 논문으로 선정되었다 (그림 1).     그림 1. 미생물 기반 루테인 생산 모식도 (Eun and Prabowo et al., Nature Synthesis, 2025)     본 연구에서는 재생 가능한 탄소원인 포도당을 사용하여 루테인을 생산하였으며, 생산성을 높이기 위해 기존 미생물에서 발생하던 대사 병목 현상을 체계적으로 제거하였다 (그림 2). 특히 전자를 필요로 하는 효소 반응이 병목으로 작용한다는 점에 주목하여, 효소 스캐폴드 기반 전자 채널링 기술을 도입하였다. 이를 통해 루테인 합성 효소와 해당 전자 전달 단백질을 물리적으로 근접 배치하여, 반응 속도와 효율을 크게 향상시켰다.     그림 2. 루테인 생산 균주 구축 과정에서 적용된 공학적 전략 모식도 (Eun and Prabowo et al., Nature Synthesis, 2025)     이와 같은 공정 최적화 및 유전자 조절 전략을 적용한 결과, 개발된 균주는 Fed-batch 발효에서 54시간 동안 1.78 g/L의 루테인을 생산하였다. 이는 세포 건조 중량 대비 19.51 mg/gDCW, 시간당 생산성 32.88 mg/L/h로, 현재까지 보고된 모든 미생물 중 가장 높은 루테인 생산 성과이다.   이번 성과는 기존의 식물 재배 기반 루테인 생산 방식을 대체하고, 미생물 세포공장을 활용한 루테인 대량 생산이 가능함을 입증했다는 점에서 의미가 크다. 특히 고령화 사회에서 건강기능성 소재 수요가 증가함에 따라, 본 기술은 영양보충제 및 의료·바이오 소재 산업 전반에 활용될 가능성을 보여준다.