이제 이러한 박테리아의 신진대사를 활용하여 현재 화학 산업에서 화석 연료로 만들고 있는 귀중한 제품을 생산할 수 있다.

플라스틱, 염료, 인공 향료 등 다양한 화학 물질을 생산하기 위해 현재 화학 산업은 원유와 같은 화석 자원에 크게 의존하고 있다.

ETH Zurich 미생물학 연구소의 줄리아 보르홀트(Julia Vorholt) 교수는 “전 세계적으로 연간 5억 톤, 하루에 100만 톤 이상을 소비한다.”라고 말한다. "이러한 화학적 전환은 에너지 집약적이기 때문에 화학 산업의 실제 CO2 배출량은 6~10배 더 크며 전 세계 총 배출량의 약 5%에 달한다."

그녀와 그녀의 팀은 화석 연료에 대한 화학 산업의 의존도를 줄이는 방법을 찾고 있다.

메틸로트로프(methylotrophs)로 알려진 메탄올을 먹고 사는 박테리아가 이러한 노력의 중심에 있다. 단 하나의 탄소 원자를 함유한 메탄올은 가장 단순한 유기 분자 중 하나이며 온실가스인 이산화탄소와 물로부터 합성될 수 있다. 이 합성 반응을 위한 에너지가 재생 가능한 자원에서 나오는 경우 메탄올을 "그린"이라고 한다.

"천연 메틸영양체가 있지만 상당한 연구 노력에도 불구하고 이를 산업적으로 사용하는 것은 여전히 어렵다."라고 보르홀트 연구 그룹의 박사후 연구원인 마이클 라이터(Michael Reiter)는 말한다. 대신 생명공학적으로 잘 이해된 모델 박테리아인 대장균(Escherichia coli)을 사용한다. 보르홀트 팀은 수년 동안 설탕을 먹고 자라는 모델 박테리아에 메탄올을 대사할 수 있는 능력을 갖추려는 아이디어를 추구해 왔다.

"이것은 세포 대사의 완전한 재구성이 필요하기 때문에 중요한 과제이다."라고 보르홀트는 말한다. 처음에 연구원들은 컴퓨터 모델을 사용하여 이러한 변화를 시뮬레이션했다. 이러한 시뮬레이션을 바탕으로 그들은 제거할 유전자 2개와 도입할 새로운 유전자 3개를 선택했다.

라이터는 “결과적으로 박테리아는 비록 적은 양이지만 메탄올을 흡수할 수 있었다.”고 말했다.

그들은 미생물이 메탄올로부터 모든 세포 성분을 생산할 수 있을 때까지 1년 이상 동안 실험실의 특별한 조건에서 박테리아를 계속 배양했다. 약 1,000세대가 더 지나면서 이러한 합성 메틸영양체는 점점 더 효율적이게 되었고 결국 메탄올만을 공급했을 때 매 4시간마다 두 배로 늘어났다.

"향상된 성장률은 박테리아를 경제적으로 흥미롭게 만든다"라고 보르홀트는 말한다.

보르홀트 팀이 최근 발표한 논문에서 설명했듯이 무작위로 발생하는 여러 돌연변이가 메탄올 활용 효율성을 높이는 원인이 된다. 이러한 돌연변이의 대부분은 다양한 유전자의 기능 상실을 초래했다. 언뜻 보면 놀라운 일이지만, 자세히 살펴보면 유전자의 기능이 상실되어 세포가 에너지를 절약할 수 있다는 사실이 명백해진다. 예를 들어, 일부 돌연변이는 중요한 생화학 반응의 역반응을 실패하게 만든다.

“이것은 불필요한 화학적 전환을 없애고 세포의 대사 흐름을 최적화한다.”라고 연구진은 썼다.

산업적으로 관련된 벌크 화학물질의 생명공학적 생산을 위한 합성 메틸영양체의 잠재력을 탐구하기 위해 보르홀트와 그녀의 팀은 박테리아에 4가지 다른 생합성 경로에 대한 추가 유전자를 장착했다. 그들의 연구에서 그들은 이제 박테리아가 실제로 모든 경우에 원하는 화합물을 생산한다는 것을 보여주었다.

연구자들에게 이것은 그들이 조작한 박테리아가 원래 약속했던 것을 제공할 수 있다는 분명한 증거이다.

미생물은 "플러그 앤 플레이" 원리에 따라 생합성 모듈을 삽입할 수 있는 매우 다양한 생산 플랫폼의 일종으로, 박테리아가 메탄올을 원하는 생화학 물질로 전환하도록 유도한다.

그러나 연구자들은 박테리아를 경제적으로 사용할 수 있도록 수율과 생산성을 크게 높여야 한다. 보르홀트와 그녀의 팀은 최근 "응용 프로그램에 대한 계획을 더욱 확장하고 우선적으로 집중할 제품을 선택하기 위한" 혁신 기금을 받았다.”라고 보르홀트는 말한다.

라이터가 생물반응기에서 박테리아 배양을 최적화할 수 있는 방법에 대해 이야기할 때 그는 열정으로 가득 차 있다.

“기후 변화라는 과제를 고려할 때 화석 자원에 대한 대안이 필요하다는 것은 분명하다.”라고 그는 말한다.

라이터는 “우리는 추가로 CO2를 대기 중으로 배출하지 않는 기술을 개발하고 있다.”라고 말했다. 그리고 합성 메틸영양체는 녹색 메탄올 외에 성장과 생산에 추가적인 탄소원을 필요로 하지 않기 때문에 “환경에 부담을 주지 않는 재생 가능한 화학 물질을 생산”할 수 있다.

이 연구는 Nature Catalytic에 게재되었다.

출처: ETH Zurich의 Ori Shipper