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산업 효모 내성 셀룰로오스 가수분해 억제제의 핵심 신호 전달 경로 연구

장종엽엔에스 2015. 2. 11. 09:07

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-11
리그 노 셀룰로오스 에탄올 연료(Lignocellulosic ethanol fuel) 개발에서 하나의 중요한 보틀넥(Bottleneck)으로 되고 있는 것은 바이오매스 전 처리 공정에서 다양한 억제제(Inhibitors)를 생성시킨다는 점이다. 이런 억제제는 양조 효모의 성장과 후속 발효 과정에 대해 뚜렷한 방해 역할을 발휘하고 있으며 에탄올의 생산량과 수율을 제한하고 있는 상황이다. 억제제에 대해 원위치 해독을 실행하고 강한 저항성을 보유하고 있는 발효 균주(菌株) 개발은 이런 문제점을 해결하는데 있어서 핵심이 되고 있다.

부분적인 산업 효모(Industrial yeast) 균주(예를 들면 Saccharomyces cerevisiae NRRL Y-12632)는 실험실의 모델 균주에 비해 더욱 이상적인 억제제 내성(Tolerance)을 보유하고 있다. 하지만 과학자들은 산업 효모 균주의 유전 기초와 분자 메커니즘에 대해서 아직까지 명확한 해석을 하지 못하고 있는 상황이다.

최근 중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 바이오 프로세스 기술 연구소 산하 ‘단일 세포 연구 센터’의 쉬젠(徐健) 연구원 연구팀은 미국 농무부(U.S. Department of Agriculture) 북부 연구센터 Zonglin Lewis Liu 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하고 공업 효모 내성 셀룰로오스 가수 분해 억제제(Industrial yeast Tolerance Cellulose Hydrolysis Inhibitors)의 핵심 신호 전달 경로(key signal transduction pathways)를 발견하는데 성공하여 이슈가 되고 있다. 연구팀의 관련 연구 성과는 Scientific Reports 학술지에 발표되었다.

중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 바이오 프로세스 기술 연구소 저우첸(周茜), 닝캉(寧康) 등 연구인원들은 Y-12632의 전체 게놈 분석에 기반하여 산업 효모가 실험실 균주에 비해 폭넓은 게놈 차이를 나타낼 뿐만 아니라 산업 효모 속 MAPK와 포스파티딜 이노시톨 신호(Phosphatidylinositol signaling) 등 전도(Pathway) 경로의 유전자 코딩 영역의 비 동의 돌연변이(Non-synonymous mutations)와 프로머터(Promoter) 서브 영역의 돌연변이가 모두 뚜렷이 집중된다는 점을 발견하였다.

5-히드록시(Hydroxymethyl)기 푸르푸랄(Furfural)(HMF, 셀룰로오스 가수분해 과정에서 생성되는 주요 억제제 중의 하나임) 과정에서 산업 효모 MAPK와 포스파티딜 이노시톨 신호(Phosphatidylinositol signaling) 등 전도(Pathway) 경로 상에서 각각 73%와 60%의 유전자가 전사 수준에서 뚜렷한 상향 조절되는(그림 1. 참조) 동시에 이런 유전자의 단일 유전자 돌연변이는 HMF 내성(Tolerance)의 뚜렷한 감소를 유발하고 있는 상황이다.

때문에 MAPK와 포스파티딜 이노시톨(Phosphatidylinositol) 두 개 신호 전도 경로가 산업 효모의 HMF 내성 과정에서 중요한 역할을 발휘하고 있다.

연구팀이 이번 연구를 통해 입증한 관련 결과는 산업 효모 주(株)로부터 출발하여 셀룰로오스 에탄올 합성 메커니즘을 연구하는 면에서 중요한 의미를 보유하고 있을 뿐만 아니라 연료 에탄올 효모 내성에 대한 개선을 위해 새로운 아이디어를 제공하고 있다.

이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘미세 진화 중대 연구 프로젝트’ 비용 및 ‘청년 과학자 기금’ 프로젝트 비용, 중국과학원의 ‘혁신 연구팀 국제 협력 파트너 프로젝트’ 비용 지원을 받아 추진되었다.

연구팀의 관련 논문 정보는 다음과 같다.

Zhou, Q., Liu, Z. L., Ning, K., Wang, A., Zeng, X. and Xu, J. (2014) Genomic and transcriptome analyses reveal that MAPK- and phosphatidylinositol-signaling pathways mediate tolerance to 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde for industrial yeast Saccharomyces cerevisiae. Scientific Reports, 4: 6556.

그림 1. 산업 효모 NRRL Y-12632 MAPK 신호 전도 경로 게놈과 전사체 그룹 분석(A) 및 HMF 자극 후 상향 조절되는 발현(ｅxpression) 유전자는 붉은색으로 표시됨. 비 동의 돌연변이를 함유한 유전자는 *로 표시됨. (B) HMF 자극 2h 유전자 발현(Gene ｅxpression)임. (C) 20mM HMF 육성 기 속의 단일 유전자 녹아웃(Single-gene knockout) 효모 돌연변이체 성장 곡선임.