Introduction

Biochemical Engineering Laboratory: Overview

Biotechnology or Biochemical Engineering refers to the discipline or technology which uses biological functions and information to process and produce the materials and services necessary for mankind. Biotechnology contributes to the effective production of medicines, cosmetics, biochemicals, biofuels, agricultural products, etc. through such techniques as gene recombination, enzyme engineering, metabolic pathway synthesis and (re)design that artificially manipulate the biological functions. It also contributes to removal and controlling of environmental pollution by utilizing the abilities of microorganisms and enzymes.

Biotechnology is classified into three major categories according to the application fields: Red Biotechnology, White Biotechnology, and Green Biotechnology. We mainly focus on the production of various chemicals and fuels which belongs to White Biotechnology, also called Industrial Biotechnology. Industrial Biotechnology aims at Bio-refinery which is compared to traditional (crude) oil-refinery. Similar to oil-refinery, bio-refinery can be operated in an integrated manner to produce various chemicals and fuels simultaneously. Process integration in bio-refinery enables cost-effective use of raw materials and energy, as in the case of oil-refinery. However, unlike oil-refinery, bio-refinery is environment-friendly and sustainable; thus bio-refinery is considered a ‘good’ technology which does not give burdens to our planet and our future generations to come. Bio-refinery changes the paradigm of the present fossil-based economy into the bio-based one.

The main focus of our laboratory lies on the production of industrially important organic acids, alcohols and lactones. These compounds are difficult or less desirable to produce by conventional chemical methods due to economical and/or environmental issues or specific market demand requiring biotechnological production. For example, when these chemicals are used as cosmetic ingredients or personal care products, biological production is much more preferred in market. In order to effectively produce these compounds by microorganisms, appropriate microbial catalysts (strains and enzymes) are developed by using recombinant DNA technology, metabolic engineering, enzymatic engineering, synthetic biology, bioinformatics, etc. All research is aimed at commercialization, and with a close collaboration with Noru Holdings Co., Ltd. and GS Caltex Co., Ltd. The compounds to be developed are as follows.

  1. 3-Hydroxypropionic acid (3-HP): 3-HP is an organic acid with three carbon atoms and two functional groups. It is widely used for the production of daily necessities such as diapers, environment-friendly paints and biodegradable polymers. 3-HP is a typical platform chemical that can be converted into many chemical compounds including acrylic acid by simple chemical reaction. Current world market of acrylic acid is over 10 trillion won (10 billion USD) annually.
  2. 1,3-Propanediol (1,3-PDO): 1,3-PDO is a three-carbon compound with two alcohol functional groups. It is used to produce foods, cosmetics, pharmaceutical products and textile products. In particular, demand for cosmetics and polytrimethylene terephthalate (PTT) has increased significantly. The global market size is known as about 1.0 billion USD.
  3. Gamma-lactones: Lactones are cyclic esters and are used in fine chemical products such as foods, cosmetics, medicinal pesticides, and as materials and solvents for electronic materials. It is possible to produce lactones in optically pure enantiomers by biotechnology, and its use in the field of fine chemicals is greatly expanded.

More information on biotechnology, industrial biotechnology, and biorefinery can be found at the following website.

  1. Biotechnology General :https://en.wikipedia.org/wiki/Biotechnology
  2. General Biotechnology : http://www.ucl.ac.uk/biochemeng/about/excitement.pdf
  3. Industrial Biotech: https://en.wikipedia.org/wiki/Colors_of_biotechnology
  4. Bio Refineries: https://en.wikipedia.org/wiki/Biorefinery

BCE laboratory has close collaborations with the following laboratories:

  1. Noroo Holdings Central Research Institute (Director Dr. Shim Jung-Yeop).     http://www.norooholdings.com/
  2. Professor Sung Kuk Lee. Synthetic Biology Lab., School of Energy and Chemical Eng., UNIST. https://sites.google.com/site/skleelab/
  3. Professor Yong Hwan Kim. Enzyme and Protein Engineering Lab., School of Energy and Chemical Eng., UNIST. https://sites.google.com/site/enzproyh/
  4.  Professor Gyoo Yeol Jung. Molecular Diagnosis and Synthetic Biology Lab., School of Chemical Engineering, POSTECH. http://mdsb.postech.ac.kr/
  5. Professor Tae Hyun Yoo. Department of Molecular Science and Technology, Ajou University. http://www.spelajou.kr/Tae_Hyeon_Yoo/SPEL.html
  6. Professor Kyung Jin Kim. Department of Biotechnology, Kyungpook National University. http://biotech.knu.ac.kr/
  7. Professor Sun-Gu Lee. School of Chemical and Biomolecular Eng., Pusan National University. http://chemeng.pusan.ac.kr/chemeng/15714/subview.do

생물공학 연구실 연구 개요

생물공학기술 또는 바이오테크놀로지는 생물체가 가지는 유전·번식·성장·자기제어 및 물질대사 등의 기능과 정보를 이용해 인류에게 필요한 물질과 서비스를 가공·생산하는 기술을 말한다. 보다 구체적으로 생명 현상·생물 기능 그 자체를 인위적으로 조작하는 유전자의 재조합, 대사 재설계, 세포 융합 등의 기술을 통해 의약품, 산업제품, 농산품 등을 효과적으로 생산하고 또한 미생물이나 효소가 가진 능력을 이용하여 환경오염물질을 제어하는 기술이다.

바이오테크놀로지는 응용분야에 따라 크게 의약바이오 (Red Biotechnology), 산업바이오 (White Biotechnology), 농업바이오 (Green Biotechnology) 등 3가지로 분류된다. 본 연구실은 이 중 산업바이오 분야를 연구하고 있다. 구체적으로 미생물의 대사능력을 이용하여 원유를 원료로 생산되고 있는 각종 화학 제품, 연료 등을 바이오매스로부터 생산하는 일을 수행한다. 원료와 생산 공정 측면에서 산업바이오 공정은 전통적인 원유 리파이너리 (Oil refinery)와 비교하여 바이오 리파이너리 (Biorefinery)라고도 부른다. 원유 리파이너리와 달리 바이오리파이너리는 환경친화적이고 미래지향적이며 지속가능한 기술로 현재의 화석원료 기반 사회를 바이오 기반 사회로 패러다임을 바꾸는 선한 기술이다.

본 연구실이 주력으로 연구하는 대상은 미생물이 생산할 수 있는 유기산, 알코올, 락톤 등의 화합물질이다. 이들 화합물질을 효과적으로 생산하기 위하여 적절한 미생물 촉매 (균주 및 효소)를 발굴하고 유전자 재조합 기술, 대사공학, 효소공학, 합성생물학, 생물정보학 등을 이용하여 개량하며, 생물반응기 기술을 이용하여 최적 생산기술을 완성한다. 모든 연구는 상업화를 목적으로 하고 있으며 수요 기업인 ㈜노루홀딩스, ㈜GS Caltex 등과 밀접한 협력관계를 맺고 있다. 개발 대상 화합물은 다음과 같다.

  1. 3-Hydroxypropionic acid (3-HP): 탄소수가 3개이고 두 개의 관능기를 갖는 유기산으로 기저귀와 같은 생활용품, 친환경 도료, 생분해성 고분자 등을 생산하는데 널리 쓰인다. 3-HP는 간단한 화학반응에 의해 아크릴 산 등으로 전환될 수 있는 대표적인 platform chemical이며 세계시장은 연 10조원이상으로 알려진다.
  2. 1,3-Propanediol (1,3-PDO): 3-HP와 같이 탄소수가 3개이고 두 개의 알코올 관능기를 갖는 화합물로 식품, 화장품, 의약제품, 섬유제품 등을 생산하는데 쓰인다. 특히 화장품 기초 원료 및 PTT (poly trimethylene terephthalate) 생산의 원료로 수요가 크게 증가하고 있다. 세계시장규모는 8,000억원 정도로 알려지고 있다.
  3. Gamma-lactones: 락톤은 환형 에스테르로 식품, 화장품, 의약 농약 등 정밀화학 제품, 전자재료용 소재 및 용제 등으로 사용된다. 바이오 기술로 생산할 경우 chiral 화합물의 생산이 가능하며 정밀화학 분야에서 용도도 크게 확장된다.

바이오테크놀로지와 산업바이오 분야, 바이오리파이너리에 대한 더 많은 정보는 다음 website에서 얻을 수 있다.

  1. 바이오테크놀로지 일반 : https://en.wikipedia.org/wiki/Biotechnology
  2. 생물공학 분야 일반 : http://www.ucl.ac.uk/biochemeng/about/excitement.pdf
  3. 산업바이오 : https://en.wikipedia.org/wiki/Colors_of_biotechnology
  4. 바이오리파이너리 : https://en.wikipedia.org/wiki/Biorefinery

본 연구실은 아래 연구실과 밀접한 연구협력 관계를 맺고 있다.

  1. (주)노루홀딩스 중앙연구소 (소장 심증엽 박사) : http://www.norooholdings.com/
  2. UNIST 이성국 교수 : https://sites.google.com/site/skleelab/
  3. UNIST 김용환 교수 : https://sites.google.com/site/enzproyh/
  4. POSTECH 정규열 교수 : http://mdsb.postech.ac.kr/
  5. 아주대학교 유태현 교수 : http://www.spelajou.kr/Tae_Hyeon_Yoo/SPEL.html
  6. 경북대학교 김경진 교수 : http://biotech.knu.ac.kr/
  7. 부산대학교 이선구 교수 : http://chemeng.pusan.ac.kr/chemeng/15714/subview.do