▲ (상단 왼쪽부터) POSTECH 정규열 교수(교신저자), 인천대 장성호 교수(공동 교신저자), 서울대 서상우 교수(공동 교신저자), (하단 왼쪽부터) 세계김치연구소 황재성 박사(제1저자), 전남대 한용희 교수(공동 제1저자), UNIST 김동혁 교수(공동저자)  © 박상도 기자

(브레이크뉴스인천 박상도 기자) 인천대학교·POSTECH·서울대학교·UNIST 공동 연구팀이 친환경 산업 전환을 견인할 통합 미생물 균주 최적화 플랫폼 ‘iTARGET’을 개발했다. 

이번 기술은 복합 유전자 변이의 시너지 효과를 실험적으로 규명해 고부가가치 천연물 ‘나린제닌(naringenin)’ 생산성을 기존 대비 2.8배 향상시키며 높은 산업적 활용 가능성을 입증했다.

산업계에서는 탄소 배출을 줄이고 지속가능성을 확보하기 위해, 석유 기반 화학 공정을 대체할 바이오 기반 생산 기술의 도입이 절실하다. 

이때 핵심은 재생 가능한 자원을 활용해 유용한 화합물을 빠르고 효율적으로 합성할 수 있는 우수 미생물 균주 개발이다. 

그러나 미생물 유전체는 복잡한 대사 네트워크와 유전자 간 상호작용으로 얽혀 있어, 기존의 이론적 설계나 단일 유전자 변이 방식으로는 원하는 수준의 성능 개선을 예측·실현하기 어렵다는 한계가 있었다.

▲ iTARGET 개요도  © 박상도 기자

공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 트랜스포존 기반 돌연변이 유도, 바이오센서 연동 선별, MAGE 기반 다중 유전체 편집 기술을 하나의 워크플로우로 통합한 플랫폼(iTARGET)을 구축했다. 

이 시스템을 활용해 대장균 유전체 내 생산성 향상에 기여하는 후보 유전자 9개를 신속히 확보했고, 이들 간 조합을 대규모로 탐색해 최적의 유전자 변이 조합을 실험적으로 규명했다. 

특히 바이오센서 기반 선별 기술은 기존 대비 높은 속도와 정밀도로 변이주를 식별해 고효율 균주 확보에 중요한 역할을 했다.

 iTARGET은 ‘합리적 설계’ 중심의 기존 방식이 가진 한계를 보완하고 복합 유전자 변이에 따른 시너지 효과를 실제 실험으로 검증하며 대규모 균주 스크리닝을 가능하게 한 점에서 기술적 차별성이 크다. 

연구팀은 이 플랫폼이 향후 친환경 소재, 의약품, 신소재 등 다양한 바이오 제조 분야에서 신속한 균주 개발의 표준으로 자리 잡을 것으로 전망했다.

공동 교신저자인 인천대학교 장성호 교수는 “이번 연구는 대사공학 분야에서 오랜 시간 해결되지 못했던 고속·정밀 균주 개발의 병목을 해소한 기술”이라며, “바이오소재와 의약품 생산의 산업적 진입장벽을 크게 낮출 수 있을 것”이라고 말했다. 교신저자인 POSTECH 정규열 교수는 “플랫폼의 가능성이 충분히 검증된 만큼, 실제 산업 적용과 새로운 바이오화합물 개발까지 이어지도록 후속 연구를 지속할 예정”이라고 밝혔다.

이번 성과는 트렌즈 인 바이오테크놀로지(Trends in Biotechnology, IF 14.9, JCR 98.6%) 11월 6일자 온라인판(현지시간)에 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부·해양수산부·한국연구재단의 지원으로 인천대학교, POSTECH, 서울대학교, UNIST, 세계김치연구소, 전남대학교 등 국내 여러 기관의 협력으로 수행됐다. 

논문은 https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2025.10.009 에서 확인 가능하다.

*아래는 위 기사를 ‘구글 번역’으로 번역한 영문 기사의 [전문]입니다.‘구글번역’은 이해도 높이기를 노력하고 있습니다. 영문 번역에 오류가 있을 수 있음을 전제로 합니다.<*Below is the full text of the English translation of the above article, translated using Google Translate. Google Translate strives to improve comprehension. Please understand that errors may exist in the English translation.>

Joint research team from Incheon National University, POSTECH, Seoul National University, and UNIST develops 'iTARGET', an integrated microbial strain optimization platform to drive the transition to eco-friendly industries

-Break News Incheon Park Sang-do Reporter

A joint research team from Incheon National University, POSTECH, Seoul National University, and UNIST has developed 'iTARGET', an integrated microbial strain optimization platform to drive the transition to eco-friendly industries.

This technology experimentally identified the synergistic effects of complex genetic mutations, increasing the productivity of the high-value-added natural product 'naringenin' by 2.8 times compared to previous methods, demonstrating its high potential for industrial application.

Industry urgently needs to adopt bio-based production technologies to replace petroleum-based chemical processes to reduce carbon emissions and ensure sustainability.

The key here is to develop superior microbial strains capable of rapidly and efficiently synthesizing useful compounds using renewable resources.

However, microbial genomes are intertwined with complex metabolic networks and genetic interactions, making it difficult to predict and achieve the desired level of performance improvement using existing theoretical design or single-gene mutation methods.

To address this challenge, the joint research team developed a platform (iTARGET) that integrates transposon-based mutagenesis, biosensor-linked screening, and MAGE-based multiplex genome editing into a single workflow.

Using this system, they rapidly identified nine candidate genes within the E. coli genome that contribute to enhanced productivity. Through large-scale screening of these combinations, they experimentally identified optimal genetic mutation combinations.

In particular, the biosensor-based screening technology identified mutant strains with greater speed and precision than previous methods, playing a crucial role in securing highly efficient strains.

iTARGET offers a significant technological breakthrough in that it overcomes the limitations of existing "rational design"-focused approaches, verifies the synergistic effects of complex genetic mutations through practical experiments, and enables large-scale strain screening.

The research team predicted that this platform will become the standard for rapid strain development in various biomanufacturing fields, including eco-friendly materials, pharmaceuticals, and new materials.

Professor Jang Seong-ho of Incheon National University, co-corresponding author, stated, "This research solves a long-standing bottleneck in the field of metabolic engineering: high-speed, precise strain development." He added, "It will significantly lower the industrial entry barriers to biomaterial and pharmaceutical production." Professor Jeong Gyu-yeol of POSTECH, corresponding author, stated, "Now that the platform's potential has been fully verified, we plan to continue follow-up research to ensure practical industrial applications and the development of new biocompounds."

These findings were published online on November 6 (local time) in Trends in Biotechnology (IF 14.9, JCR 98.6%). This research was conducted in collaboration with several domestic institutions, including Incheon National University, POSTECH, Seoul National University, UNIST, World Institute of Kimchi, and Chonnam National University, with support from the Ministry of Science and ICT, the Ministry of Oceans and Fisheries, and the National Research Foundation of Korea.

The full paper can be found at https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2025.10.009.