미생물이 자체 황산염 감소 기계를 만드는 방법

2023년 6월 5일

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막스 플랑크 소사이어티

독일 브레멘에 있는 막스 플랑크 해양 미생물학 연구소의 과학자들은 황산염을 바로 사용할 수 있는 세포 구성 요소인 황화물로 변환할 수 있는 메탄 생성 미생물의 분자 비밀을 밝혀냈습니다. 이 발견은 바이오연료 생산에 흥미로운 기회를 열어줍니다.

유황은 생명의 기본 요소이며 모든 유기체는 세포 물질을 합성하는 데 유황이 필요합니다. 식물과 조류와 같은 독립영양생물은 황산염을 황화물로 전환하여 황을 얻습니다. 황화물은 바이오매스에 포함될 수 있습니다. 그러나 이 공정에는 많은 에너지가 필요하고 즉시 변형되어야 하는 유해한 중간체와 부산물이 생성됩니다.

결과적으로, 이전에는 일반적으로 에너지가 부족한 메탄 생성균으로 알려진 미생물이 황산염을 황화물로 전환할 수 없을 것이라고 믿었습니다. 그러므로 세계 메탄의 절반을 생산하는 이들 미생물은 황화물과 같은 다른 형태의 황에 의존하는 것으로 추정되었습니다.

이 교리는 1986년 유일한 유황 공급원인 황산염에서 자라는 메탄생성물질인 Methanothermococcus thermolithotrophicus가 발견되면서 깨졌습니다. 에너지 비용과 독성 중간체를 고려할 때 이것이 어떻게 가능합니까? 이 유황 종에서 자랄 수 있는 것으로 보이는 유일한 메탄생성 물질인 이유는 무엇입니까? 이 유기체는 황산염 동화를 허용하기 위해 화학적 트릭이나 아직 알려지지 않은 전략을 사용합니까? 막스 플랑크 해양 미생물학 연구소의 Marion Jespersen과 Tristan Wagner는 이제 이러한 질문에 대한 답을 찾아 Nature Microbiology 저널에 게재했습니다.

연구자들이 직면한 첫 번째 과제는 미생물이 새로운 황 공급원에서 자라도록 하는 것이었습니다. Marion Jespersen은 "박사 학위를 시작했을 때 M. thermolithotrophicus가 황화물 대신 황산염을 먹도록 설득해야 했습니다"라고 말합니다. "그러나 배지를 최적화한 후, Methanothermococcus는 황산염에서 자라는 데 전문가가 되었으며, 세포 밀도는 황화물에서 자랄 때와 비슷했습니다."

"유기체가 성장함에 따라 황산염이 사라지는 것을 측정했을 때 상황이 정말 흥미로워졌습니다. 이때 우리는 메탄 생성 물질이 이 기질을 전환한다는 것을 실제로 증명할 수 있었습니다." 이를 통해 연구원들은 M. thermolithotrophicus를 대규모로 생물반응기에서 안전하게 재배할 수 있었습니다. M. thermolithotrophicus는 더 이상 성장을 위해 독성 및 폭발성 황화수소 가스에 의존하지 않기 때문입니다. "그것은 우리에게 이 매혹적인 유기체를 연구하기에 충분한 바이오매스를 제공했습니다"라고 Jespersen은 설명합니다. 이제 연구자들은 기본 프로세스의 세부 사항을 파헤칠 준비가 되었습니다.

황산염 동화의 분자 메커니즘을 이해하기 위해 과학자들은 M. thermolithotrophicus의 게놈을 분석했습니다. 그들은 황산염 환원 관련 효소를 암호화할 가능성이 있는 유전자 5개를 발견했습니다. 막스 플랑크 연구 그룹 미생물 대사 책임자인 트리스탄 바그너(Tristan Wagner)는 "우리는 이러한 효소 각각의 특성을 파악하고 완전한 경로를 탐색했습니다. 그 복잡성을 생각하면 진정한 역작"이라고 말했습니다.

과학자들은 효소를 하나씩 특성화함으로써 메탄생성물질로부터 최초의 황산염 동화 경로를 구성했습니다. 해당 경로의 처음 두 효소는 잘 알려져 있고 많은 미생물과 식물에서 발생하지만 다음 효소는 새로운 종류였습니다. Jespersen은 “M. thermolithotrophicus가 황산염 환원 유기체에서 하나의 효소를 탈취하여 자신의 필요에 맞게 약간 변형한 것처럼 보이는 것을 보고 깜짝 놀랐습니다.”라고 말했습니다.