레티노이드는 비타민 A와 그 유도체를 포함하는 물질군으로, 현재 화장품과 의약품 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 기존의 레티노이드 상업 생산은 석유 화학 기반의 복잡한 화학 합성 공정에 전적으로 의존해 왔으나, 이는 강산과 같은 가혹한 반응 조건과 고비용의 분리 정제 과정을 필요로 한다는 한계를 지니고 있습니다. 이러한 전통적인 방식의 단점을 해결하기 위해 미생물의 대사 네트워크를 인위적으로 재설계하여 원하는 화합물을 직접 생산하는 대사공학적 접근법이 주목받고 있습니다. 특히 특정 미생물의 유전적 특성을 정밀하게 조절함으로써 고부가가치 소재인 레티날을 효율적으로 대량 생산하려는 시도는 지속 가능한 바이오 산업의 미래를 결정짓는 핵심적인 연구 과제로 부상하고 있습니다.

성공적인 대사공학을 위해서는 최적의 숙주 미생물을 선택하는 것이 무엇보다 중요합니다. 야로위아 리폴리티카(Yarrowia lipolytica)는 비록 자체적으로 카로티노이드를 생성하지는 않지만, 이를 만들기 위한 전구체인 아세틸-CoA 풀이 매우 넓고 유전자 조작 도구가 잘 개발되어 있다는 장점이 있습니다. 또한 소수성 물질을 효과적으로 축적하고 보관할 수 있는 고유의 능력을 갖추고 있어 레티날과 같은 지질 친화적 물질 생산에 매우 적합한 숙주입니다. 연구진은 이러한 야로위아의 대사적 특성을 극대화하여 기존 화학 합성의 한계를 극복하고, 레티노이드 생산의 경제성을 확보하기 위한 최적의 생물학적 시스템을 구축하고자 하였습니다.

미생물 발효 기반 생산의 경제성을 확보하기 위해서는 단순한 생산 가능성뿐만 아니라 높은 타이터와 안정적인 회수 공정의 구축이 필수적입니다.

효율적인 레티날 생산을 위해 연구진은 먼저 자연계에서 기존보다 뛰어난 성능을 가진 BCO 효소를 발굴하는 데 집중했습니다. 계통수 분석을 통해 선별된 해양 박테리아 유래 효소는 기존에 사용되던 효소 대비 레티날 생산량을 약 45% 향상시키는 성과를 거두었습니다. 또한, 생성된 레티날이 다른 물질로 전환되는 것을 막기 위해 미생물 내의 특정 옥시도리덕테이스 유전자들을 선별하여 결손시키는 전략을 취했습니다. 이와 더불어 상위 대사 경로의 유전자들을 강화하고 특정 돌연변이를 도입함으로써 전체적인 대사 흐름을 레티날 생산 방향으로 강력하게 유도하였으며, 이는 세포 내 레티날 축적을 가속화하는 결정적인 발판이 되었습니다.

미생물 내부의 저장 공간을 확보하는 것 역시 최종 생산량 증대의 핵심 요소 중 하나입니다. 야로위아의 리피드 바디는 소수성 물질이 주로 저장되는 장소로, TAG 합성에 관여하는 유전자를 강력한 프로모터로 교체하여 이 공간을 확장함으로써 레티날의 저장 효율을 높일 수 있었습니다. 공정 측면에서는 추출 효율을 높이기 위해 아이소프로필 미리스테이트(IPM)라는 유기 용매를 새롭게 도입했습니다. IPM은 기존 용매보다 추출 성능이 우수할 뿐만 아니라 그 자체가 이미 화장품 원료로 널리 사용되고 있어, 향후 상업화 시 후속 공정을 간소화하고 단가를 절감할 수 있는 실질적인 이점을 제공합니다. 여기에 항산화제를 첨가하여 생성된 레티날의 안정성까지 확보했습니다.

최종적으로 진행된 유가 배양 실험에서 통기량을 유동적으로 조절하는 다이나믹 방식을 적용한 결과, 레티날 생산량은 이전 단계보다 비약적으로 증가하는 양상을 보였습니다. 연구 결과 2,253 mg/L라는 세계 최고 수준의 레티날 타이터를 달성하였으며, 이는 미생물 기반의 레티노이드 생산 가능성을 입증한 획기적인 성과로 평가받고 있습니다. 이러한 통합적인 대사공학적 접근과 공정 최적화 기술의 결합은 향후 비타민 A 생산 방식을 보다 친환경적이고 효율적인 발효 공정으로 전환하는 데 크게 기여할 것입니다. 고효율 균주 개발과 혁신적인 추출 기술의 시너지는 미래 바이오 소재 시장에서 강력한 경쟁력을 확보하는 중요한 이정표가 될 전망입니다.