박시재 연구실의 핵심 연구 중 하나는 대사공학을 활용해 미생물을 고성능 세포공장으로 전환하는 것이다. 연구실은 Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum, Pseudomonas 등 산업적으로 중요한 미생물을 대상으로 탄소원 이용 경로, 전구체 공급 경로, 환원력 균형, 부산물 형성 경로를 정밀하게 재설계하여 목표 화합물의 생산성을 높이는 데 집중하고 있다. 이러한 접근은 기존 석유화학 기반 공정을 대체할 수 있는 지속가능한 바이오 생산 체계를 마련하는 데 중요한 기반이 된다. 연구실의 대표 성과로는 E. coli를 이용한 poly(lactate-co-glycolate) 및 방향족 폴리에스터의 원스텝 발효 생산, 그리고 C. glutamicum을 이용한 1,5-펜탄다이올 고생산 시스템 구축이 있다. 특히 단순한 유전자 도입 수준을 넘어서 효소 스크리닝, 염색체 통합, 경로 모듈화, 보조인자 재생 최적화, fed-batch 배양 조건 확립까지 포함하는 통합적 시스템 대사공학 전략을 적용한다. 최근에는 딥러닝과 바이오 빅데이터를 접목하여 병목 효소 탐색과 대사경로 최적화의 효율을 높이는 방향으로 연구 범위를 확장하고 있다. 이 연구는 바이오 기반 플랫폼 화합물, 고분자 전구체, 기능성 유기산 및 디올류의 경제적 생산을 가능하게 함으로써 차세대 바이오리파이너리 실현에 기여한다. 또한 탄소중립 시대에 적합한 저탄소 제조기술로서 산업적 파급력이 크며, 향후에는 인공지능 기반 설계-제작-검증-학습(DBTL) 워크플로우를 갖춘 바이오파운드리형 연구로 발전할 가능성이 높다. 이를 통해 연구실은 실험실 수준의 균주 개발을 넘어 상용화 친화적 미생물 플랫폼을 구축하는 방향으로 연구를 심화하고 있다.

연구실은 지속가능한 고분자 소재 개발을 위해 생분해성 바이오플라스틱과 바이오폴리에스터의 미생물 생산 기술을 중점적으로 연구하고 있다. 기존 플라스틱 산업이 화석연료 의존성과 환경오염 문제를 안고 있는 상황에서, 재생 가능한 탄소원으로부터 기능성 고분자를 직접 생산하는 기술은 매우 중요한 대안으로 평가된다. 연구실은 특히 PHA, PLGA, 방향족 폴리에스터 등 다양한 구조와 물성을 갖는 바이오고분자의 생합성에 강점을 보인다. 대표 논문에서는 대사공학적으로 개량된 E. coli를 이용해 탄수화물로부터 PLGA를 원스텝 발효로 생산하고, 포도당으로부터 방향족 폴리에스터를 합성하는 기술을 제시하였다. 이는 의료용 고분자 및 고기능성 플라스틱을 미생물 기반 공정으로 생산할 수 있음을 보여주는 성과다. 더불어 연구실은 PHA의 모노머 스펙트럼 확장, 단량체 맞춤형 대사회로 설계, 고분자 중합 효소 최적화, 스케일업 공정 개발, 후단 정제 및 alloy 소재화까지 아우르는 전주기 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구는 단순히 친환경 소재 생산에 그치지 않고, 물성 조절이 가능한 차세대 바이오고분자 플랫폼을 제공한다는 점에서 의미가 크다. 향후에는 생분해성, 기계적 강도, 열적 특성, 가공성을 동시에 만족하는 고기능성 바이오플라스틱 개발로 이어질 수 있으며, 포장재, 의료재료, 모빌리티 소재 등 다양한 산업 분야에 적용 가능하다. 연구실은 원스텝-원팟 인공미생물 플랫폼과 대량 생산공정 기술을 결합해 바이오플라스틱의 실용화와 산업화를 적극적으로 추진하고 있다.

박시재 연구실은 바이오매스와 재생 가능한 원료를 활용하여 고부가가치 플랫폼 화학물질을 생산하는 바이오리파이너리 기술을 적극적으로 개발하고 있다. 연구 대상에는 1,5-펜탄다이올, 5-아미노발레르산, 5-하이드록시발레르산, 다이아민, 다이올 등 차세대 고분자 단량체와 산업용 중간체가 포함된다. 이러한 화합물은 나일론, 폴리아마이드, 폴리에스터 등 다양한 소재 산업의 핵심 원료이기 때문에, 바이오 기반 생산기술 확보는 석유화학 대체 관점에서 전략적 가치가 매우 높다. 연구실은 미생물 균주 개발뿐 아니라 정밀 발효와 화학급 정제, 공정 최적화, 스케일업까지 연계한 통합 공정 연구를 수행한다. 예를 들어 5-아미노발레르산의 정밀 발효 및 화학급 정제 공정 개발, C4-C6 다이올 생산 균주 시스템 구축, 바이오매스 기반 다이아민 생산기술 개발 등은 단순한 생합성을 넘어 실제 산업 적용을 염두에 둔 연구다. 또한 바이오매스 유래 원료를 활용하여 탄소 효율을 극대화하고, 후단 공정에서의 회수와 정제 효율을 높여 경제성을 확보하는 데 집중하고 있다. 이 연구는 바이오화학산업의 상용화 전환을 촉진하는 실질적 기반기술로 평가될 수 있다. 특히 플랫폼 화학물질은 다양한 파생 제품으로 연결되는 확장성이 높기 때문에, 하나의 생산 플랫폼이 여러 산업군으로 파급될 수 있다. 향후 연구실은 탄소중립과 순환경제 요구에 대응하여 바이오매스, 산업 부산물, 폐플라스틱 유래 자원을 통합 활용하는 차세대 바이오리파이너리 체계를 구축함으로써 지속가능한 화학산업 혁신에 기여할 것으로 기대된다.

연구실은 지속가능성 강화를 위해 폐기물 자원을 고부가가치 화합물로 전환하는 업사이클링 연구도 수행하고 있다. 특히 특허에서 확인되듯이 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로부터 얻어지는 테레프탈산과 에틸렌글리콜을 각각 방향족 화합물과 글리콜산 등 유용 물질로 전환하는 기술을 개발하고 있다. 이는 폐플라스틱을 단순 재활용하는 수준을 넘어, 화학적·생물학적 전환을 결합해 더 높은 가치의 소재와 화합물로 재탄생시키는 접근이다. 이러한 연구는 화학적 가수분해, 미생물 전환, 대사경로 설계, 생성물 회수 및 정제를 연결하는 융합형 공정 기술을 필요로 한다. 연구실은 바이오촉매 및 재조합 미생물을 이용해 폐기물 유래 단량체를 선택적으로 전환하고, 기존 석유 기반 방향족 화학물질 생산 공정을 대체할 수 있는 가능성을 제시한다. 더불어 자원순환형 ESS 플랫폼, 수소 및 CO2 재활용과 연계된 프로젝트는 연구실이 단순한 생물공정 개발을 넘어 에너지-자원 순환 시스템 수준으로 연구를 확대하고 있음을 보여준다. 이 연구의 의의는 환경문제 해결과 산업적 가치 창출을 동시에 추구한다는 데 있다. 폐플라스틱 저감, 탄소 배출 감축, 바이오 기반 화학소재 확보라는 세 가지 목표를 동시에 만족시킬 수 있기 때문이다. 향후에는 다양한 폐고분자와 산업 부산물까지 적용 범위를 넓혀 순환경제형 화학공정 플랫폼으로 발전할 가능성이 높으며, 연구실의 생물화학공학 역량이 자원순환 기술과 결합하는 대표적인 연구 축으로 자리잡고 있다.