합성생물학으로 자연보다 공기 중 이산화탄소 포집 더 잘 해결

자연과학, 생명과학, 인문학 분야의 기초 연구를 하는 독일의 막스플랑크연구소(Max Planck Institute) 과학자들이 공기 중 이산화탄소(CO₂)를 자연보다 더 효율적으로 포집할 수 있는 합성 경로를 개발하고, 이를 살아있는 박테리아에 구현하는 방법을 알아냈다. 

지난 3일 촉매(catalysis) 분야 인터넷 전문지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'를 통해 알려진 이 기술은 지속가능한 방식으로 바이오 연료 및 기타 제품을 만드는 데 도움이 될 수 있다고 한다.

식물은 공기 중의 이산화탄소를 화학 에너지로 전환하여 성장에 필요한 연료를 공급하는 능력으로 유명하다. 이미 대기 중에 CO₂가 너무 많고 매일 더 많은 양이 배출되고 있는 상황에서 과학자들이 이 자연적인 과정을 통해 이산화탄소 수치를 다시 낮추는 동시에 연료와 기타 유용한 분자를 생산하는 것은 당연한 일이다.

새로운 연구에서 막스플랑크 과학자들은 자연에서 이미 검증된 방법보다 훨씬 더 잘 작동하는 새로운 이산화탄소 고정 경로를 개발했다. 이들은 이를 '세타(THETA) 사이클'이라고 부르며, 17개의 서로 다른 생체 촉매를 사용하여 다양한 바이오 연료, 재료 및 의약품의 핵심 구성 요소인 아세틸-CoA(acetyl-CoA) 또는 아세틸 조효소 A(acetyl coenzyme A)라는 분자를 생산한다.

이 사이클은 박테리아에서 분리된 가장 빠르게 알려진 두 가지 CO2 고정 효소인 크로토닐(crotonyl)-CoA 카복실라제(carboxylase)와 환원효소 및 포스페놀피루베이트(phosphoenolpyruvate) 카복실라제를 중심으로 구축된다. 이들 효소 하나만으로도 식물이 사용하는 주요 효소보다 CO2를 포집하는 속도가 10배 이상 빠르지만, 아직 진화 과정에서 자연스럽게 짝을 이루지는 못한 것 같다. 그래서 과학자들이 대신 해냈다.

먼저, 연구팀은 공기 중에서 두 개의 CO2 분자를 포집하여 하나의 아세틸-CoA 분자로 전환하는 기능을 확인하기 위해 시험관에서 '세타 사이클'을 구성했다. 그런 다음 연구진은 여러 차례의 실험을 통해 이를 최적화하여 수율을 100배 이상 높였다. 마지막으로 연구진은 이 과정을 살아있는 세포, 즉 대장균에 적용하기 시작했다.

17단계의 과정은 현재 하나의 세포가 처리하기에는 너무 복잡하기 때문에 연구팀은 이를 세 개의 모듈로 나누고 이를 대장균에 통합했다. 그리고 각 모듈은 기대한 대로 작동을 했다. 다음 단계는 이 모든 것을 하나로 통합하는 것이지만, 이를 위해서는 각 단계를 대장균의 자연스러운 신진대사와 동기화해야 한다.

그럼에도 불구하고 이번 성과는 여전히 중요하다고 연구팀은 말한다. 이 기술은 미생물이 모든 범위의 가치 있는 화합물을 생산하도록 지시하는 데 적용될 수 있기 때문이다.

이 연구의 수석 저자인 샨샨 루오는 "이와 같은 주기(cycle)가 특별한 점은 박테리아의 신진대사에서 중심 대사물질 역할을 하는 여러 중간체를 포함하고 있다는 것"이라며, "이러한 중첩이 이를 구현하기 위한 모듈식 접근법을 개발할 수 있는 기회를 제공하며, 이번에 해결한 주기가 아세틸-CoA 출력 분자를 확장하여 CO2에서 직접 귀중한 화합물을 생산하기 위한 다목적 플랫폼이 될 잠재력이 있다"고 설명했다.