발효 단백질의 과제와 전망 (1)

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3월 15일
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서론

미래 식량으로 대체 단백질은 매우 인기 있는 분야이다. 대체 단백질을 위한 기술로는 세포 배양육, 식물성 대체 단백질, 미생물 발효 단백질이 있는데, 우리는 그 중에서도 미생물을 이용한 발효 단백질에 대해 공부해보고자 했다. 미생물 발효 단백질을 얻는 방법에는 biomass와 precision fermentation 2가지 종류가 있다. biomass는 매우 많은 양의 단백질을 생산하기에 좋은 방법으로, 빠르게 성장하는 고단백질 미생물을 활용하여 다량의 단백질을 효율적으로 생산한다. Precision fermentation은 특정 원료를 생산하기 위해 미생물을 이용하는 방식이다. 이를 이용하면 다양한 단백질 뿐만 아니라, 비타민, 지방, 효소 등 다양한 기능성 물질을 생산할 수 있다. 발효 단백질은 여전히 많은 연구가 진행되고 있는 분야인 만큼, 다양한 정보와 의견을 배워보고자 서울대학교 농업생명과학대학 동물미생물학 연구실의 김영훈 교수님과 인터뷰를 진행했다.

김영훈 교수님의 연구실에서는 미생물을 이용해 동물생명공학 전공에 접목시킬 수 있는 여러가지 적용 방법에 대한 여러가지 연구들이 이루어진다. 그중에서도 특히 환경과 관련된 미생물에 많은 관심을 가지고 계신다. 특히 대기에 존재하는 메탄이나 이산화탄소 기체를 이용해 발효를 진행하는 gas fermentation이나 메탄올을 탄소원으로 사용할 수 있는 미생물을 이용한 연구를 통해 환경에 좋지 않은 성분을 이용해 경제적인 가치를 가진 물질을 얻는 방법에 큰 관심을 갖고 연구를 진행하시는 중이다. 특히 김영훈 교수님의 연구실에서 2024년 1월에 발표된 논문에서는 Fusarium venenatum이라는 미생물을 이용해 얻은 미생물체 단백질의 기능에 대한 내용을 다루고 있다. F. venenatum은 영국의 mycoprotein 회사인 Quorn에서도 사용하고 있는 균주로, 그 안정성이 인정되어 싱가포르 등 세계 여러 국가에서 판매 중이다. 본 칼럼에서는 김영훈 교수님과 나눈 인터뷰를 바탕으로 미생물 발효를 이용해 다양한 물질을 생산하는 기술의 전망과, 앞으로 나아가야 할 방향에 대한 내용을 다루고자 한다.

Biomass: Biomass는 안전할까?

Biomass는 매우 많은 양의 단백질을 생산하기에 좋은 방법으로, 빠르게 성장하는 고단백질

미생물을 활용하여 다량의 단백질을 효율적으로 생산하는 방식이다. Biomass를 이용해 미생물체 단백질을 얻는 회사는 Quorn, Farmless, LanzaTech 등 다양한 회사들이 존재한다. 그 중 다양한 국가에서 제품을 판매하고 있으며, 김영훈 교수님의 연구실에서 사용한 것과 같은 균주를 사용하는 Quorn에 대해서 집중적으로 알아보겠다.

Quorn은 앞서 언급했듯이, F. venenatum이라는 곰팡이류를 사용한다. 현재 Biomass로 단백질을 얻을 수 있는 미생물은 ‘GRAS(generally recognized as safe)’로 한정되어 있다. GRAS란 미국 FDA에서 지정한 것으로, 식품 및 식품 첨가물로 사용해도 안전하다고 간주되는 미생물을 의미한다. 효모, 곰팡이류, 박테리아, 조류의 몇 가지 미생물이 이에 해당되며, F. venenatum 또한 GRAS로 인정받은 미생물이다. 특히 F. venenatum은 Quorn에서 수천 종의 곰팡이류를 조사하던 중, 토양 샘플에서 분리하여 얻은 미생물 종이다.

곰팡이류를 이용한 단백질 중 가장 중요한 문제점은 mycotoxin이다. Mycotoxin이란 곰팡이에 의해 생성되는 독성 2차 대산물로, 인간과 동물 모두에서 질병과 사망을 유발할 수 있는 물질이다. F. venenatum 또한 자연 상태에서 trichothecenes, fumonisins, zearalenone등 다양한 mycotoxin을 생산할 수 있다. 특히 Quorn에서 사용하는 F. venenatum A3/5 균주 또한 이러한 mycotoxin을 생성할 수 있는 유전자를 보유하고 있다.

다만 Quorn에서는 여러가지 조건을 통해 mycotoxin의 수치를 적정 수준 이하로 낮추고 있다. Quorn에서 mycoprotein 생산을 위해 사용하는 영양소 과잉 공급 상태에서는 mycotoxin 생산을 유도하지 않는다. 또한 공정 과정에서 6시간 간격으로 샘플을 채취하여 mycotoxin의 존재 여부를 확인한다. 하지만 언제든지 곰팡이의 돌연변이에 의해 mycotoxin이 발생할 수 있는 위험성이 존재하기 때문에 이에 대한 지속적인 모니터링이 필요할 것으로 보인다. 또한 Quorn의 제품을 섭취한 후 mycoprotein에 대한 알러지 반응을 보이는 사례가 나타나고 있다. 소화 불량, 가려움, 두드러기 등이 증상으로 나타나며, 영국의 한 알레르기 조사 기관에 따르면 2018년 Quorn의 제품을 섭취한 1,752명의 사람이 알레르기 증상을 보였다. 하지만 모든 사례가 mycoprotein에 의한 것이 아니며, 높은 섬유질 함량 혹은 다른 성분에 의한 것이라는 전문가의 의견이 존재한다. 따라서 새로운 식품 종류에 대한 안전성을 확보하고, 소비자의 수용성을 향상시키기 위해 여러 위협 요인에 대한 연구는 꾸준히 이루어져야 할 것이다.

Precision Fermentation

1. Precision fermentation은 GMO이다?

정밀 발효(Precision Fermentation; PF)는 발효기술 및 정밀생물학을 결합해 간단한 미생물, 또는 미생물에서 맞춤형 유기분자를 새로이 만들어내는 기술로, 미생물은 발효 과정에서 '세포 공장'으로 기능하여 대량의 특정 물질을 생산한다. 실제로 Perfect Day는 정밀발효를 통해 우유 단백질을 만들어낸 바 있다. 젖소로부터 우유 단백질을 만들어내는 유전자를 추출해 그것을 Trichoderma reesei라는 곰팡이에 주입한 뒤, 이 곰팡이를 발효탱크에서 배양해서 만들어낸 것이다. 국내 식품업계에선 이렇게 만들어진 단백질이 GMO 식품으로 간주되어 안전성 평가 후 한시적 승인을 받아야 하는 등 규제가 까다롭기 때문에, 미생물 유래 대체 단백질에 대한 심사 및 등록 과정의 간소화가 필요하다고 주장하기도 한다. 이처럼 정밀발효는 GMO 문제와 연결되며, 이러한 기술이 GMO와 어떻게 구분되는지에 대한 논란이 지속되고 있다.

정밀 발효로 생산된 단백질은 최종 제품에 변형된 유전 물질이 남아 있지 않기 때문에 일부에서는 이를 GMO로 간주하지 않아도 된다고 주장한다. 그러나 이러한 관점에 대해 비판적인 시각도 존재한다. Non-GMO Project와 같은 단체는 정밀 발효가 실제로는 유전자 변형 기술을 활용한 것이며, 따라서 이러한 방식으로 생산된 제품은 GMO로 간주되어야 한다고 주장한다. 이러한 논란은 소비자들에게 혼란을 야기할 수 있으며, 이에 따라 제품 라벨링과 투명성에 대한 요구가 증가하고 있다. Non-GMO Project의 Megan Westgate는 이렇게 지적하기도 하였다. “Companies are continuing to manufacture and release these new GMO products into the public, again, without labeling or regulation. We're tracking all of this because customers demand transparency in the food system.” 정밀 발효로 생산된 Perfect Day의 유제품이 소비자들에게 GMO로서 명확하게 표시되지 않으며, 이는 소비자의 알 권리를 침해할 수 있다는 지적이다.

한편, 일부 전문가들은 정밀 발효로 생산된 최종 단백질이 외래 유전자를 포함하지 않거나 자연계에 존재하는 돌연변이를 모방한 것이므로 이를 GMO로 간주하지 않아야 한다는 입장을 취하고 있다. 이는 Genetic Engineering (GE) 기술이 외래 유전자를 도입하지 않고도 원래 있는 유전자에서 일부가 사라지게 하여 원하는 형질을 발현시킬 수 있다는 점에서 비롯된 주장이다. 그러나 이러한 관점에 대해서도 여전히 논란이 존재하며, 규제 기관과 소비자 단체 간의 합의가 필요한 상황이다.

이러한 상황에서 소비자들에게 정확한 정보를 제공하고 투명성을 확보하는 것이 중요하다. 제품 라벨링에 대한 명확한 지침이 마련되어 소비자들이 제품의 생산 방식을 이해하고 선택할 수 있도록 해야 한다. 또한, 규제 기관은 새로운 기술에 대한 안전성 평가와 환경 영향을 고려한 규제 체계를 강화하여 소비자 신뢰를 구축해야 한다.

2. PF 단백질의 수율은?

“The biggest limitation for precision fermentation at the moment is yield,” says Dr. Netsanet Shiferaw Terefe, CSIRO Principal Research Scientist.

정밀 발효에서 단백질 수율과 순도는 상업화의 중요한 과제로 떠오르고 있다.

Trichoderma reesei는 전 세계적으로 효소 산업에서 lignocellulose 분해 효소를 생산하는 가장 일반적인 생산 숙주로, 대규모 배양 공정에 적합하고 안전하게 사용된 오랜 역사를 갖고 있다. 이 균주는 발효를 통해 내인성 및 외인성 식품 등급 효소를 생산하는 데 일반적으로 사용된다.

한 논문에서는 기존의 M124 균주에서 11개의 protease를 제거(knock out)한 뒤, β-lactoglobulin(BLG)과 ovalbumin(OVA)을 암호화하는 유전자를 T. reesei에 맞게 최적화한 코돈을 삽입한 plasmid를 이용하여 형질전환하였다. 이후 형질전환된 T. reesei를 24well culture에 배양한 후, bioreactor에 접종하여 TrBLG와 TrOVA가 포함된 상층액을 얻었다. 이를 정제한 결과, TrOVA의 순도는 약 80%로 추정되었으며, 저분자량의 여러 밴드가 관찰되었다. 특히, 10kDa 이하의 밴드를 제외한 대부분은 TrOVA의 분해 생성물로 나타났다. 반면, TrBLG는 순도가 95% 이상으로 확인되었으며, 17kDa의 단일 밴드가 검출되었다. 이는 BLG의 분자량과 유사하여 기존 BLG와의 유사성을 입증하였다.

두 단백질 모두 기능적 특성에서도 기존 단백질과 유사한 결과를 보였다. TrBLG는 1:50의 낮은 단백질-유지방 비율에서도 소의 BLG와 유사한 안정적인 유화를 형성하였고, TrOVA는 암탉 OVA에 비해 우수한 거품 형성 활성을 나타냈다. 그러나 TrOVA는 생산 순도의 개선이 필요하다는 한계가 존재하며, 두 단백질 모두 상업적 경쟁력을 갖추기 위해서는 생산 수준을 20배 이상 증가시켜야 한다.

정밀 발효는 이러한 생산 및 정제 과정에서 추출과 수율 관리가 중요하다. Single Cell Protein(SCP)과 같이 미생물 자체를 균체로 사용하는 방식은 간단하고 추가적인 정제가 필요 없지만, 정밀 발효는 특정 단백질을 추출하고 이를 정제하는 과정이 필수적이다. 이러한 단계는 비용과 시간이 소요될 뿐만 아니라, 수율을 결정짓는 핵심 요소로 작용한다. 추출 후 순도 확보를 위해서는 다양한 공정 개발과 프로토콜 확립이 요구되며, 이를 통해 상업화 가능성을 높여야 한다.