이산화탄소의 효율적 전환을 위한 시아노박테리아의 주요 대사 경로 규명

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-16

미국 국립 재생에너지 연구소(NREL; National Renewable Energy Laboratory) 소속의 연구진은 이전에는 기능성 광합성 유기체에서만 제안됐던 대사 경로(metabolic pathway)가 실제로 이산화탄소(carbon dioxide)를 유기 화합물(organic compounds)로 효율적으로 전환할 수 있는 주요 경로라는 사실을 밝혀냈다. 이 발견은 시아노박테리아(cyanobacteria)에서 탄소의 이용에 대한 복잡한 대사 네트워크에 대한 새로운 견해를 제공하는 한편, 석유로부터 유래한 것이 아니라 이산화탄소 또는 식물 바이오매스로부터 화학물질을 제조하는 보다 더 우수한 방안에 대한 새로운 지평을 열게 됐다. NREL 선임 과학자인 Jianping Yu와 박사 후 과정인 Wei Xiong 등이 이러한 발견을 주도했다. 연구 결과는 Nature Plants 온라인 판에 발표됐다. 최신 NREL 발견은 남조류(blue-green algae)라고 일반적으로 알려진 시아노박테리아가 포함된 최근 연구에 이어진 것이다. NREL 소속의 과학자들은 시아노박테리아인 시네코시스티스(Synechocystis)를 공학적으로 제어하여 크실로오스(xylose)와 이산화탄소를 다양한 바이오기반의 화학물질과 바이오연료를 제조하는데 사용될 수 있는 유기 화학물질인 피루빈산염(pyruvate)과 2-옥소글루타르산염(2-oxoglutarate)으로 전환할 수 있었다. 다수의 성장 조건 하에서 이러한 돌연변이 균주(mutant strain)를 테스트하는 한편, 과학자들은 돌연변이 균주가 대사 과정에서 이례적으로 다량의 아세트산을 분비한다는 것을 발견했다. 아세트산(acetic acid)은 다양한 목적을 충족하기 위하여 화학적으로 많은 양이 제조되고 있다. 화학물질 산업은 연간 1억 2천만 톤 이상의 아세트산을 주로 메탄올로부터 제조하고 있다. 이러한 메탄올은 주로 천연가스로부터 제조된다. 광합성(photosynthesis)으로부터 아세트산을 제조할 수 있는 가능성은 천연가스에 대한 미국의 국가 의존도를 낮출 수 있다고 연구진은 밝혔다. 가능한 응용이 유망한 한편, 연구진은 주로 알려진 경로로부터 아세트산의 제조를 설명할 수 없다는 것에 흥미를 느꼈다. 피루브산 탈수소효소(pyruvate dehydrogenase)가 관여하는 전통적인 경로는 연구진이 발견한 사실과 맞지 않았다. 연구진은 포스포케톨라아제(phosphoketolase)라고 불리는 효소가 관여하며, 이 효소가 시아노박테리아에서 활성이라는 사실을 이미 알고 있었다. 이전에 연구됐던 포스포케톨라아제에서 출발하여, 연구진은 유전자 slr0453이 시네코시스티스에서 포스포케톨라아제의 공급원이라는 것을 규명할 수 있었다. 시네코시스티스의 야생 가계와 돌연변이 균주 모두에서 유전자 slr0453의 기능을 상실시키는 것은 일광에서 성장을 지연시킨다. 즉, 조건이 광합성에 의한 이산화탄소 동화에 대하여만 의존한다는 점이다. 이러한 사실은 유전자가 광합성 탄소 대사 과정에 중요한 역할을 한다는 것을 증명했다. 기능을 잃은 유전자를 가지는 가계는 크실로오스 존재와 일광 존재 하에서 아세트산을 분비하지 못했다. 시네코시스티스는 당이 영양분으로 주어질 때 어두운 조건에서 아세트산을 생성할 수 있었지만, 기능을 상실한 유전자(disabled gene)를 가진 가계는 아세트산을 생성할 수 없었다, 연구진은 포스포케톨라아제 경로(phosphoketolase pathway)가 어둠에서 아세트산 생성에 대하여 단독으로 책임이 있으며, 크실로오스가 공급될 때 일광에서 탄소 대사에 상당한 기여를 할 수 있다는 것을 발견했다. 이후 Xiong은 크실로오스와 이산화탄소가 다른 유기 화학물질로 어떻게 전환되는지를 추적하기 위하여 탄소 동위원소를 이용하여 새롭게 발견된 경로의 기여를 정량화했다. 결과는 포스포케톨라아제 경로가 실제로 중심이 되는 탄소 대사 작용의 상당한 부분을 수행한다는 것을 보여주었다. 이러한 결과는 포스포케톨라아제 경로가 연구진의 실험 조건 하에서 주요 경로임을 증명한 것이다. 그리고 포스포케톨라아제 경로가 전통적인 경로와 관련된 탄소 소실을 피할 수 있기 때문에, 광범위하고 다양한 바이오생성물과 바이오연료가 이 경로를 이용하여 보다 더 효율적으로 만들어질 수 있다고 연구진은 제안했다. 이 발견에는 중요한 두 가지 관점이 있다. 하나는 이전에는 연구되지 않았던 시아노박테리아에서 자생적인 대사 경로라는 점이다. 두 번째는 이 경로가 전통적인 경로보다 더 효율적이며, 따라서 광합성 생산성을 증가시키는 데 이용될 수 있다는 점이라고 Jianping Yu는 밝혔다. 이 연구는 미국 에너지부(DOE; Department of Energy) 과학 기술청의 후원으로 수행됐다. 또한 DOE 산하 EERE(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy)의 후원의 일환으로 수행됐다. http://www.greencarcongress.com/2015/12/20151212-nrel.html