카로티노이드는 테트라테르페노이드의 한 그룹으로 식물, 조류, 미생물 등 자연계에 널리 분포하는 대표적인 지용성 색소이며 항산화, 항염증, 프로비타민 A 등 다양한 생물학적 활성을 지니고 있다. 고염분 환경에 적응한 독특한 미생물 그룹인 호염성 고균은 독특한 생체 분자, 특히 C50 카로티노이드를 생성하는 것으로 밝혀졌다. 박테리오루베린은 대부분의 호염성 고균에 널리 퍼져 있는 대표적인 붉은 색소 C50 카로티노이드로 강력한 항산화 특성을 지니고 있다. 카로티노이드 관련 산업 분야를 좁혀보면, 상업화된 카로티노이드는 대부분 리코펜, 아스타잔틴, 루테인 등 C40 카로티노이드에 국한되어 있는 반면, 박테리오루베린의 생명공학적인 잠재력은 아직 밝혀지지 않은 채 호염성 고균의 C50 카로티노이드로서만 활용되고 있다. 따라서 천연 박테리오루베린 생산자에 대한 호염성 고균 균주를 선별하고 항산화 특성을 평가한 다음 발효 공학 및 재조합 균주 개발 도구를 사용하여 박테리오루베린 생산을 향상시키는 것이 중요하다. 본 연구에서는 대한민국 영흥도 인근의 해수 및 퇴적물에서 분리한 신종 호염성 고균 3종을 대상으로 다상 분류학적, 유전체 분석을 통해 분류학적 위치를 규명하고 특성을 분석하였다. 또한, 본 연구에서는 다양한 방법을 이용하여 MBLA0078T 균주가 생산하는 박테리오루베린의 항산화 및 생물학적 특성을 평가하고자 하였다. 또한 박테리오루베린의 생산성을 높이기 위해 배양 배지를 최적화하고, 박테리오루베린 생합성에 Corynebacterium glutamicum의 활용 가능성을 조사하여 다양한 산업자원으로서의 상업성을 확립하고자 했다. MBLA0076T, MBLA0077T, MBLA0078T 등 3개 분리주의 유전체 크기와 G+C 함량은 각각 3.56, 3.48, 3.48Mb, 61.7, 60.8, 61.1 mol%였다. 세 균주는 16S rRNA 유전자의 염기서열 유사성이 98.5~99.5%로 나타났지만, 유형 균주의 16S rRNA 유전자와의 염기서열 유사성은 98.5% 미만이었다. 16S rRNA 및 RNA 중합 효소 서브 유닛 베타 유전자의 염기 서열을 기반으로 한 계통 발생 분석 결과 분리 균주는 Haloferax 속에 속하는 것으로 밝혀졌다. 상동 평균 뉴클레오티드 동일성, 평균 아미노산 동일성, in silico DNA-DNA 혼성화 값은 종 구분 임계치보다 낮았다. 범유전체 분석 결과, 3개의 신종 균주와 11개의 참조 균주는 총 8,981개의 범상동성 그룹을 공유하는 것으로 나타났다. 또한 게놈 분석 결과 세 가지 신종 균주에서 박테리오루베린 생합성과 관련된 세 가지 유전자, 즉 이중 기능 lycopene elongase 및 1,2-hydratase (lyeJ), carotenoid 3,4-desaturase (crtD), C50 carotenoid 2",3"-hydratase (cruF)를 확인했다. 비교 유전체 및 다상 분류학적 분석을 바탕으로 MBLA0076T, MBLA0077T, MBLA0078T는 Haloferax 속의 일원으로 분류되었으며, 이들 균주들은 각각 Haloferax litoreum, Haloferax marinisediminis, Haloferax marinum 로 명명하였다. 분리된 균주 중 하나인 MBLA0078T는 UV/VIS 흡수 스펙트럼, TLC, HPLC 및 UPLC/APIC-MS 분석들을 활용하여 카로티노이드 동정하기 위해 선택되었다. MBLA0078T에서 추출한 주요 색소는 박테리오루베린과 그 이성질체로 확인되었다. 박테리오루베린 추출물은 시판 항산화제에 비해 in vitro 실험에서 1.4~23.1배 높은 항산화 활성을 나타냈다. 또한, BR 추출물은 적어도 부분적으로 PI3K/AKT 경로를 통해 매개되는 LPS에 의해 유도된 근섬유 위축에서 Akt의 활성화를 통해 항염증 및 항산화 효과를 입증했다. 또한, BR 추출물은 근육 위축을 예방할 수 있는 잠재력을 보였으며, 이는 아마도 Akt-mTOR 매개 단백질 합성 경로를 통해 매개되는 것으로 보인다. 예쁜꼬마선충을 대상으로 실시한 in vivo 생존율 실험 결과, MBLA0078T에서 추출한 BR 추출물은 다른 상업용 C40 카로티노이드에 비해 더 높은 효율을 나타냈다. 박테리오루베린 생산을 위한 배양 조건을 최적화하기 위해 one-factor-at-a-time 방식과 통계적 기반 실험 설계가 모두 사용되었다. OFAT 배양 설계를 통해 결정된 최적화된 배양 조건에는 포도당 1g/l, 피쉬 펩톤 1g/l, NaCl 150 g/l가 포함되었으며, 반응 표면 방법론 설계에는 피쉬 펩톤 8.0g/l, NaCl 103.2g/l, KCl 16.2g/l, 배양 시간 74.4시간이 활용되었다. 이러한 최적화된 조건을 활용하여 RSM 및 유가식 회분배양을 포함한 OFAT 방법은 각각 2.16 ± 0.07 μg/ml 및 2.80 ± 0.01 μg/ml의 최대 박테리오루베린 생산 수율을 보여주었으며, 이는 기본 배지에 비해 10~14배 증가한 수치이다. 박테리오루베린을 생산하는 C. glutamicum 균주를 만들기 위해 데카프레녹산틴 생합성 유전자를 삭제하고 박테리오루베린 생합성 유전자를 이종 발현하는 대사 공학 기법을 사용했다. 박테리오루베린과 그 전구체의 생산은 lyeJ, crtD, cruF 유전자의 이종 발현을 통해 확인했으며, 각 유전자의 기능을 규명했다. 이 연구는 C. glutamicum 이 본래의 고리형 C50 카로티노이드인 데카프레녹산틴과 달리 외부 유래의 비고리형 박테리오루베린을 축적할 수 있음을 최초로 입증한 것이다. 유가식 회분배양 발효에서, 재조합 균주는 1.50 μg/ml의 박테리오루베린을 생산을 확인했다. 결론적으로, 본 연구의 결과는 Haloferax 속의 산종을 대표하는 MBLA0078T 균주가 C50 카로티노이드인 박테리오루베린을 생산하는 것을 기능적으로 확인하였으며, 박테리오루베린 생합성과 관련된 핵심 생합성 유전자를 보유한 유전공학적으로 조작된 C. glutamicum 및 MBLA0078T 균주의 발효 공정 최적화는 각각 바이오 산업 분야 진출을 위한 하류 및 상류 바이오 공정의 플랫폼 구축 가능성을 제시하고 있다.