효소는 생물이 만드는 단백질로서, 복잡한 화학반응의 속도를 높이는 촉매제 역할을 한다1).에너지를 절약하면서 친환경적인 특성 덕분에 기존 화학재료보다 고부가가치 소재로 떠오르고 있다.농촌진흥청(청장 정황근)은 한국재래흑염소의 위(胃)에서 사료첨가제와 세제로 바로 활용할 수 있을 만큼 분해 능력이 뛰어난 효소 유전자 55개를 발굴하고, 유전공학기법을 활용해 이를 대량으로 생산할 수 있는 원천기술을 확보했다고 밝혔다.
국내 산업용 효소시장은 연간 1,000억 원 규모(약 7,000톤)이나, 대량생산 체계가 마련돼 있지 않아 95% 이상 수입에 의존하고 있다.
효소 활용제품의 최종가격은 수입 효소 가격에 많은 영향을 받는 데 산업용 효소 시장에서 가장 많은 비중(50%)을 차지하는 사료첨가제2) 생산에 발굴한 효소를 활용한다면 사료비 절감 효과로 축산 농가의 소득향상에 보탬이 될 것으로 기대된다.
또한, 천연세제, 프리바이오틱스3) 등 기능성 식품소재, 2세대 바이오에너지4) 생산과 같은 다양한 산업분야의 원천소재로도 활용 가능하다.
흑염소는 풀을 먹고 되새김질을 하는 가축 가운데 매우 거친 먹이에 적합하도록 진화했다. 덕분에 되새김 위(반추위) 미생물에서 각종 분해 효소를 풍부하게 분비한다.
연구진은 볏짚 사료만으로 사육한 한국재래흑염소 위에서 반추 위액과 소화물의 미생물 DNA를 채취하고, 다시 이 DNA를 추출해 얻은 유전자 조각을 실험용 대장균에 넣어 ‘유전자은행5)을 만들었다.
이를 활용하면 흑염소에서 효소를 추가 채취하지 않아도 원하는 효소 유전자를 찾아 낼 수 있다6).
이 '유전자은행'에서 발굴한 섬유소분해 효소의 활성을 확인한 결과, 1∼50units/mg7) 정도의 활성을 보였다. 특히, 특정(KG518)) 효소의 경우, 널리 쓰이는 트리코더마 레세이(Trichoderma reesei) 섬유소분해 효소보다 2배 강한 활성을 나타냈다.
연구진은 빠른 산업화를 위해 효소 유전자를 바실러스균에 넣는 과정을 추가했다.9) 이렇게 하면 세포 안에서 효소를 채취하는 작업 없이10) 효소가 세포 밖 배양액으로 자연스럽게 추출돼 생산단가를 30% 정도 낮추고, 순도를 높일 수 있다.
참고로, 미국, 호주, 뉴질랜드, 중국에서는 소, 들소(버펄로), 야크11)의 반추위, 토끼의 맹장에서 미생물 분석을 통해 다양한 섬유소 분해 효소를 발굴하고 있다. 국내에서도 몇몇 연구자들이 소에서 섬유소 분해 효소 유전자 발굴을 진행한 바 있다.
이번 연구결과는 '흑염소 반추위 미생물 유래 신규 섬유소분해효소 발굴 및 특성 구명'이란 제목으로 '엽선 미생물학지(Folia Microbiologica)' 등 국제학술지 3곳에 실렸다.
효소 34종은 특허등록하고, 11건은 미생물 배지와 효소를 만드는 산업체에 기술을 이전했으며, 연구 과정에서 생산한 대량의 미생물 유전자은행과 관련 정보는 국내 산업체, 연구자들과 공동 활용할 예정이다.
농촌진흥청 국립축산과학원 최유림 축산생명환경부장은 "이번 성과는 축산미생물 자원을 활용한 생물신소재 개발의 신호탄이라는 점에서 의미가 크다."라며, "축산미생물의 활용성을 극대화하도록 산업체와 협의해 기술이전을 추진하겠다."라고 전했다.
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1) 한 예로 사료효율을 높이기 위해 사용하는 사료첨가제에는 셀룰라아제, 아밀라아제 같은 8여종의 효소가 들어있다.
2) 사료첨가제는 일종의 소화제 같은 역할을 함. 사료비를 절감하고 사료효율 향상을 통해 생산성을 높이기 위해 사용.
3) 장내 유익한 미생물을 잘 자라게 해 주는 성분.
4) 2세대 바이오에너지: 바이오에탄올 생산 바이오매스에 따라 곡물류(1세대), 목질계(2세대), 미세조류(3세대)
5) 유전자은행: 대상 DNA 조각들을 무작위로 포함하고 있는 형질전환 대장균들로 결국 대상 DNA 정보를 모두 포함하고 있다는 측면에서 유전자은행이라고 불림.
6) 대장균(보관하는 틀의 역할)에 외래 흑염소 유전자를 넣으면 계속 자라서 똑같은 유전자 정보를 같게 됨.
7) 분당 단백질 1mg이 섬유소에서 유리시킨 환원당량(㎍).
8) KG는 Korean Goat(한국 염소)라는 의미로 신규 섬유소 분해 효소에 붙인 이름.
9) 유전자 확인은 대장균에서 하고 인체에 무해한 바실러스 균으로 넘김.
10) 효소는 세포 안에 들어있기 때문에 효소를 얻기 위해서는 세포를 깨는 작업이 필요하나, 효소 생산시설이 열악한 국내 산업체에서는 이런 작업이 어려울 뿐 아니라 비용이 많이 드는 단점이 있음.
11) 소목 솟과에 속하는 포유류.
