대장균·셀룰로오스균 공배양해 색과 섬유를 한 번에 생산… 석유 기반 염색 공정 대체 가능성 입증
KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 박테리아를 활용해 화학적 염색 없이 다양한 색을 가진 친환경 섬유를 ‘원스텝 공정’으로 생산하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 박테리아 셀룰로오스(미생물이 자체 합성한 섬유)를 만들면서 동시에 색소까지 입히는 방식으로, 기존 석유 기반 섬유·염색 산업의 한계를 넘어서는 새로운 바이오 제조 플랫폼을 제시했다. 기존 친환경 섬유 제조 기술은 색이 거의 흰색에 가까워 추가 염색이 필요했고, 화학 염색 과정은 독성 시약과 복잡한 공정으로 인해 환경 오염 부담이 컸다. 이번 연구는 이러한 구조적 문제를 근본적으로 해결한 사례로 평가된다.
연구팀은 ‘대장균이 색을 만들고, 셀룰로오스 생산균이 섬유를 만드는’ 공배양(co-culture) 전략을 도입했다. 두 미생물을 같은 환경에서 함께 배양하면 섬유가 성장하는 과정에서 색소가 자연스럽게 섬유 표면에 결합해 색이 입혀진다. 이 방식은 생합성 경로·세포 특성이 서로 다른 미생물의 기능을 하나의 공정에 결합하는 전략으로, 복잡한 다단계 생산을 단일 시스템으로 통합했다는 점에서 기술적 의미가 크다. 연구진은 공정 최적화를 통해 적·주황·황·녹·청·남·보 등 전 스펙트럼에 해당하는 무지개색 섬유를 화학 염료 없이 구현했다.
핵심 기술 중 하나는 색소 생산 대장균 균주의 ‘세포막 설계’다. 색소가 세포 안에 과도하게 축적되면 대장균 생장이 저해되기 때문에, 연구팀은 세포막 구조를 조절해 색소가 외부로 잘 배출되도록 경로를 재설계했다. 이를 통해 대장균은 부담 없이 대량의 천연 색소를 생산할 수 있게 됐다. 특히 보라색 계열 색소(비올라세인·디옥시비올라세인)는 분자구조가 복잡해 미생물이 고농도로 생산하기 어렵다는 기술적 난제가 있었으나, 이번 연구는 세계 최고 수준인 16.92 g/L 생산 수율을 기록했다. 이는 해당 플랫폼의 생산성·기술 성숙도가 세계적 수준임을 보여주는 핵심 성과다.
연구팀은 셀룰로오스 생산균(Komagataeibacter xylinus)과 색소 생산 대장균을 조합해 녹색·청색·남색·보라색 등 다양한 색상의 박테리아 셀룰로오스를 일괄 생산하는 데 성공했다. 여기에 카로티노이드 생산균을 결합함으로써 적색·주황색·황색 계열까지 색상 팔레트를 확대해 결과적으로 전 스펙트럼 색상의 ‘무지개 섬유’를 원스텝으로 생산할 수 있음을 입증했다. 연구팀은 해당 기술이 기존 섬유·염색 산업의 환경 부담을 완화하고, 섬유 제조 공정을 단순화할 수 있는 전략적 대안이 될 수 있다고 설명했다. 대량 생산 가능성 역시 확인돼 착용형 바이오소재·기능성 소재·지속가능 섬유 등 다양한 분야로 확장될 전망이다.
이상엽 특훈교수는 “지속 가능한 섬유와 바이오소재의 수요가 증가하는 상황에서 이번 연구는 색소 합성과 섬유 생성을 단일 공정으로 통합한 핵심 바이오제조 기술”이라고 평가했다. 이번 연구 성과는 Trends in Biotechnology 11월 12일자에 게재됐으며, KAIST 박사과정생 주항서(Zhou Hengrui)가 제1저자로 참여했다.
#KAIST #박테리아섬유 #친환경섬유 #공배양기술 #무지개셀룰로오스 #대사공학 #바이오염색 #지속가능섬유 #TrendsInBiotechnology #스포트라이트유
