폐가스를 바이오화합물 및 연료로 전환하는

미생물 균주의 에너지대사 규명

 

- 장인섭 교수팀, 獨 괴테대학교와 공동 연구로 ‘주목할 만한 논문’으로 선정

- 미생물 분야 학술지 Applied and Environmental Microbiology 논문 게재

 

 

                 

 

 

□ GIST(광주과학기술원) 환경공학부 장인섭 교수(교신저자)와 정지영 박사과정생(제1저자)이 독일 연구팀과의 공동 연구를 통해 ‘폐가스(합성가스)’를 바이오원자재 또는 바이오연료로 전환할 수 있는 독자적 미생물의 에너지 대사 원리를 규명했다.

 

*폐가스(합성가스) : 폐기물, 석탄, 코크스, 저급 탄화수소가스, 나프타, 중유 등 다양한 탄소 기반 원료의 가스화 공정을 통해 얻어지는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수소(H2)로 구성된 혼합가스를 합성가스 또는 폐가스라고 일컫는다.

 

□ 독일 괴테대학교 분자생명과학부 Volker Müller 교수(공동 교신저자)와 Johannes Bertsch 박사과정생(공동 제1저자)이 함께 수행한 이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP)이 추진하는 신재생에너지핵심기술사업의 지원으로 진행되었고, 연구 결과는 미국 미생물학회(American society for microbiology) 산하 응용환경미생물(Applied and Environmental Microbiology) 학술지에 ‘주목할 만한 논문(Spotlight Article)’으로 선정돼 5월 8일자 온라인판에 게재되었다. (*논문명 : A model for energy conservation based on genomic and experimental anaylses in a carbon monoxide-utilizing, butyrate-forming acetogen, Eubacterium limosum KIST612)

 

□ 현재 Coskata, INEOS Bio, Lanza Tech과 같은 외국 기업에서는 이미 미생물을 이용한 바이오연료의 산업적 생산이 이루어지고 있다. 이에 따라 한국에서도 특허에 따른 사용 제약이 없는 독자적 균주 개발 및 개량을 목적으로 하는 연구의 중요성이 강조되고 있다.

 

  o 이번 연구에 사용된 미생물은 ‘아세토젠(Acetogen)’의 일종으로 폐가스를 탄소 및 에너지원으로 사용하여 아세트산, 부티르산과 같은 유기산을 생산하며, 에탄올‧부탄올과 같은 바이오알코올 생산 가능성을 가진 독자적 분리균주이다.

 

*아세토젠(Acetogen) : 합성가스 또는 당을 탄소 및 에너지원으로 사용하여 혐기적 대사를 통해 아세트산을 생성하는 미생물군을 일컫는 말이다.

 

  o 현재까지 100여 종 이상의 아세토젠 박테리아가 알려져 있으나, 폐가스를 소비해 부티르산과 같은 4탄소 유기물을 생산하는 균주는 소수에 불과하다. 또한 특정 아세토젠 박테리아를 대상으로 전체 유전체 분석, 기질 및 에너지 대사 규명, 생산성 증대를 위한 유전자 재조합 등의 연구가 모두 수행되어 상용화가 실현된 경우는 매우 드문 실정이다.

 

□ 합성가스를 기질로 균주를 생장시킬 경우, CO 또는 H2가 에너지원으로 쓰이는데, 이번 연구에 사용된 균주는 각각 이용된 에너지원에 따라 부티르산의 생산 여부가 다른 특성을 보인다. 연구팀은 위와 같은 특성이 이 균주의 에너지학과 밀접한 관계가 있음을 가정해, 에너지 흐름과 관련된 유전자 분석과 효소 활성 분석, "휴지세포(Resting cell)" 테스트 등을 수행하였다. 그 결과 본 균주의 에너지대사에 있어서 중요한 역할을 하는 효소들과 그 역할을 밝혀내고, 이를 바탕으로 두 종류의 에너지원에 따른 각각의 에너지대사 모델을 만들었다.

 

*휴지세포(Resting cell) : 증식을 하지 않은 상태에 있는 배양세포. 세균 등의 세포를 배지에서 수확하여 적당한 중성염의 묽은용액 또는 완충액에 부유한 것은 근소한 고유물질대사밖에 하지 않고 분열증식도 하지 않는다.

 

 

 

 

(그림 1) Eubacterium limosum KIST612 내 일산화탄소 기반 부티르산 생합성 대사 경로와 에너지 보존 모식도. 본 균주 내의 합성가스 대사 경로와 에너지 보존에 관여하는 핵심 효소반응들을 모식화하였으며, 중요한 전자전달체인 NADH, ferredoxin(Fd)의 산화환원반응을 고려하여 최종적으로 생합성 되는 ATP의 분자량을 계산하여 나타낸 결과이다. 결과에 의하면, 1 mol의 부티르산(butyrate)를 생산하는데 10 mol의 일산화탄소(CO)가 요구되며, 최종적으로 3.5 mol의 ATP가 생산됨을 유추하였다.

 

 

 

  o 연구팀은 위 모델을 기반으로, 각각의 초기 에너지원에 의한 환원력 전달과 흐름을 계산했으며, 그 결과 H2를 에너지원으로 했을 때와 비교해 CO를 에너지원으로 했을 때 3.5배의 ATP*가 더 합성됨을 알아냈다. 이로써 CO를 에너지원으로 했을 경우에만 부티르산을 생산하는 이 균주의 특징을 설명할 수 있게 되었다.

 

  *ATP(Adenosine triphosphate) : 아데노신3인산은 모든 생물의 세포 내에 풍부하게 존재하는 물질이며, 생물의 에너지대사에서 매우 중요한 역할을 한다. 즉, ATP 한 분자가 가수분해를 통해 다량의 에너지를 방출하며 이는 생물활동에 사용된다. 생물체는 이 에너지를 이용해 활동하기 때문에 ATP를 에너지원이라고 말한다.

 

□ 장인섭 교수는 “이번 성과는 대상 균주와 비슷한 특성을 가진 여타 아세토젠 박테리아의 에너지 대사를 이해하는 데 도움을 줄 것”이라며 덧붙여 “대상균주를 폐가스 전환, 부탄올 생산 균주로 실용화하기 위한 대사공학 적용에 있어서 보다 전문적 설계가 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.        <끝>

 

 

 

대외협력팀