바이오매스를 당으로 14배 빠르게 전환시키는 효소

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-19

미국 에너지부(DOE; Department of Energy) 산하 국립 재생 에너지 연구소(NREL; National Renewable Energy Laboratory) 소속의 연구진은 현재 사용하고 있는 효소 칵테일에서 경쟁하는 촉매와 비교하여 바이오매스(biomass)를 당(sugar)으로 14배 더 빠르게 전환시킬 수 있는 보다 더 저렴한 효소를 개발했다. 연구진이 개발한 Caldicellulosiruptor bescii(C. bescii) 박테리아로부터 유래한 셀룰라아제(cellulase)인 CelA라고 명명하는 이 효소는 바이오연료 전환의 경제성을 변화시킬 수 있을 전망이다. 한 가지 시나리오에서, 경제적으로 가장 우수하게 사용됐던 효소는 7일 이내에 30% 정도에서 당을 전환시켰다. CelA는 이러한 전환 정도를 2배로 증가시켰다. 유사한 효소가 바이오매스를 당으로 전환시키는데 7일이 소요되는 한편, 여분의 베타 글루코시다아제(beta glucosidase)를 소량 추가한 CelA를 이용한 전환은 약 2일 이내에 바이오매스 전환을 2배로 증가시켰다. CelA의 특성은 다음과 같다. 1. 바이오매스는 셀룰로오스, 크실란 및 리그닌 등 식물 세포벽을 형성하기 위하여 딱 들어맞는 세 가지 고분자로 이루어진다. 각각의 세 고분자는 전형적으로 용해가 가능한 종으로 분해하는 데 몇 가지 유형의 효소를 필요로 한다. 용해가 가능한 종은 이후 에탄올, 드랍-인 연료 또는 화학물질 등으로 개질될 수 있다. 그러나 바이오매스에서 한 가지 주요 구성 성분을 분해하는 대부분의 촉매와는 다르게, CelA는 셀룰로오스와 크실란 등 두 가지 구성 성분을 분해할 수 있다. 2. CelA는 단 한 가지가 아닌 두 가지 기계적 영역에서 작동한다. 첫째, 이 효소는 식물의 세포벽으로부터 귀중한 재료를 긁어내기 위하여 녹여내는 물질이다. 둘째, 이 효소는 분해가 가능한 바이오매스를 더 많이 포획하기 위하여 세포벽 깊은 곳에 구멍을 뚫는 역할을 한다. CelA는 바이오매스에 구멍을 내는 것으로 알려진 유일한 효소이다. 다른 효소는 녹여내는 역할만을 수행한다. 3. 새로운 효소는 다른 효소보다 훨씬 더 높은 온도에서 운영될 수 있다. 더 높은 온도는 신속한 반응을 의미한다. 4. 또 CelA는 화학물질로 전 처리된 바이오매스보다 원료 바이오매스에 더 빠르게 작용한다. 이러한 결과는 바이오매스 전처리 또는 다수의 효소 구성 원소를 준비할 필요 없는 미래 바이오전환 기술의 개발에서 전환점이 될 수 있을 것이다. 5. 이 효소가 알코올의 끓는점 이상에서 작동할 수 있기 때문에, 알코올은 자연적으로 분리될 수 있으며, 전환 공정에서 고가의 비용이 소요되는 단계를 피할 수 있다. 높은 온도는 공정을 방해할 수 있는 수많은 미생물을 사멸시킨다. 만약 보통은 7일이 소요되는 것을 하루에 달성할 수 있다면, 당신은 상당한 시간을 절감할 수 있을 것이다. 그리고 이러한 상황은 엄청난 경제적 영향을 끼칠 수 있다고 선임 과학자인 Roman Brunecky는 밝혔다. CelA는 오늘날 사용되고 있는 효소 칵테일의 효소보다 4~5배 가량 더 신속하게 당을 분해한다. 보다 더 일반적인 사용은 베타 글루코시다아제와 결합한 CelA가 14배 더 신속하게 공정을 수행한다는 것이다. 만약 효소가 보다 더 규모가 큰 테스트에서 양호하게 지속적으로 성능을 수행한다면, 셀룰로오스를 전환하는 가격을 낮추는데 도움을 줄 수 있으며, 제트 연료로부터 에탄올, 부탄올, 드랍-인 연료 및 수많은 화학물질 등을 얻는 가격을 낮추는데 도움을 줄 수 있다. NREL은 효소 공식과 이례적인 효소로부터 달성한 개선에 대하여 특허를 출원했다. NREL 산하 바이오매스 표면 특성화 실험실(Biomass Surface Characterization Laboratory) 연구팀 소속인 Bryon Donohoe는 이미지 구현과 분석을 통하여 효소와 관련된 발견에 대한 이례적인 결과를 확인했다. CelA 효소 생성자인 C. bescii는 1990년대 러시아 캄차카 반도의 간헐 온천 계곡의 따뜻한 물 웅덩이에서 처음으로 발견됐다. 러시아 과학자들은 효소가 유망하다는 것을 발견했지만, NREL 연구진이 철저한 분석을 수행하고 개선을 추가할 때까지, 이 효소에 대한 가능성을 깨닫지 못했다. NREL 연구팀은 일부 놀랄만한 특성을 확인했다. 예를 들면, CelA가 자연적으로 발생하는 엔도글루카나아제(endoglucanase)를 함유하고 있다고 하더라도, 연구진은 더 많은 기질을 추가하는 것이 당을 분해하는 속도를 크게 가속시킬 수 있다는 것을 발견했다. CelA는 자체적인 베타 글루코시다아제 활성을 가지고 있지만, NREL 연구진은 더 많은 베타 글루코시다아제가 추가된다면 어떤 현상이 일어나는지를 확인했다. 속도는 실제로 가속됐다. 당신은 자연이 이미 단일 효소에서 최적의 혼합을 이미 발전시켰다고 생각할 것이다. 당신은 아마도 당신이 베타 글루코시다아제를 칵테일에 추가했을 때 20~30% 개선을 기대할 것이다. CelA를 이용하여 전환 효율의 2배 또는 3배가 아닌 10배 가까이 속도를 증가시킬 수 있다. 이러한 높은 성과의 개선은 누구도 예측하지 못했다고 이 논문의 주저자인 Roman Brunecky는 밝혔다. 상업적 규모에서 CelA를 이용하는 방안에서 다음 단계는 기존 생산 시스템에서 다량의 효소를 발현시키는 것이며, 자생적인 유기체인 C. bescii로부터 효소 수율을 촉진하는 것이다. 그림1> NREL 연구진과 조지아 대학 소속의 연구진은 전자현미경을 이용하여 CelA이 리그노셀룰로오스성 바이오매스의 세포벽을 녹여낼 뿐 아니라 표면에 구멍을 뚫는다는 것을 발견했다. Cel7A(왼쪽 그림)와 같은 상용 셀룰라아제는 셀룰로오스를 파괴하기 위한 전략으로 표면 용해를 사용하고 셀룰로오스 가닥을 단일 층으로 전환시킨다. CelA(오른쪽 그림)는 셀룰로오스 가닥에 구멍을 내는 완전히 새로운 구멍 형성 메커니즘(pit-formation mechanism)뿐 아니라 표면 용해 전략을 이용한다. 3010899_greencarcongress_20150113_fig1.jpg http://www.greencarcongress.com/2015/01/20150113-cela.html