Glucose-xylose co-utilization and lactate production with engineered thermophilic Parageobacillus thermoglucosidasius
본 연구는 호열성 박테리아인 *Parageobacillus thermoglucosidasius*에서 *ptsG* 및 *rbsR* 유전자의 역공학(reverse engineering)과 자일로스 대사 오페론의 합리적 과발현을 결합하는 것이 탄소원 대사 억제(carbon catabolite repression)를 효과적으로 극복하여 효율적인 포도당-자일로스 공동 이용을 가능하게 하고 바이오리액터 발효 시 젖산 수율을 유의미하게 향상시킨다는 것을 입증한다.
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우리의 공장을 돌리는 연료가 옥수수나 사탕수수 같은 식량 작물이 아니라, 식물의 질기고 섬유질이 많은 폐기물, 즉 밀의 줄기, 쌀겨, 그리고 벌목 후 남은 나무 칩에서 온다고 상상해 보십시오. 리그노셀룰로스(lignocellulose)라고 알려진 이 물질은 풍부하며 우리의 식량 공급과 경쟁하지 않으므로, 지속 가능한 플라스틱과 화학 제품을 만들기 위한 꿈의 자원입니다. 하지만 이 단단한 식물성 물질을 유용한 제품으로 바꾸는 것은 어렵습니다. 과학자들이 이 섬유를 분해하면 포도당(glucose)과 자일로스(xylose)라는 두 가지 주요 당의 혼합물이 방출됩니다. 많은 미생물이 포도당을 쉽게 먹을 수 있지만, 자일로스는 무시하는 경향이 있으며, 두 번째 당을 시작하기 전에 포도당이 다 없어질 때까지 기다리곤 합니다. 이러한 기다림의 과정은 생산 속도를 늦추고 시간을 낭비합니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 특히 식물 섬유를 가장 효율적으로 분해하는 데 필요한 고온 환경에서 잘 번식하며, 두 당을 동시에 섭취할 수 있는 미생물을 찾고 있습니다.
한 연구팀은 이러한 섭식 선호도를 극복하기 위해 열을 좋아하는 박테리아인 파라게로바실루스 테르모글루코시다시스(Parageobacillus thermoglucosidasius)를 엔지니어링하는 작업을 수행했습니다. 이 미생물은 60도에서 65도 사이의 온도에서 가장 잘 자라는데, 이는 식물 섬유를 분해하는 데 필요한 열과 일치하기 때문에 이미 산업적 용도로 강력한 후보입니다. 과학자들은 이 미생물이 한 종류의 당을 먹은 뒤 다른 것을 먹는 것이 아니라, 포도당과 자일로스를 함께 소비하도록 내부 지침을 재설계하고자 했습니다. 그들은 먼저 박테리아가 강제로 두 당을 모두 먹도록 몰아붙여졌을 때 자연스럽게 두 당을 모두 섭취하도록 진화했던 이전 실험을 조사했습니다. 이 진화된 박테리아의 유전적 변화를 연구함으로써, 연구팀은 새로운 행동을 가능하게 하는 것으로 보이는 두 가지 특정 돌연변이를 식별했습니다. 한 돌연변이는 세포가 포도당을 잡는 데 도움을 주는 단백질을 변화시켰고, 다른 하나는 세포가 다른 당을 위한 운반체를 만드는 것을 막는 유전적 '브레이크'를 제거했습니다.
연구진은 이 개선된 행동을 재현하기 위해 표준 버전의 박테리아에 이 정확한 변화들을 구축했습니다. 그들은 세 가지 새로운 균주를 만들었는데, 하나는 변형된 포도당 포착 단백질을 가진 것, 다른 하나는 제거된 브레이크를 가진 것, 그리고 마지막은 두 변화가 결합된 것이었습니다. 또한, 다른 당이 존재하더라도 박테리아가 자일로스를 먹는 데 필요한 기계를 끊임없이 생산하도록 강제하는 다른 접근 방식도 시도했습니다. 통제된 환경에서 이 새로운 균주들을 테스트한 결과, 유전적 변화가 작동했으나 그 방식은 서로 달랐습니다. 변형된 포도당 단백질을 가진 균주는 두 당을 비슷한 속도로 섭취했습니다. 브레이크가 제거된 균주 역시 두 당을 함께 섭취했지만, 전체적인 성장 속도는 더 느렸습니다. 두 변화가 결합된 균주는 놀랍게도 일반적인 순서를 완전히 뒤집어, 오히려 포도당보다 자일로스를 선호하는 행동을 보였습니다.
이러한 변화가 왜 일어났는지 이해하기 위해 연구팀은 세포 내부를 들여다보며 어떤 단백질이 만들어지고 있는지 확인했습니다. 그들은 돌연변이가 자일로스를 먹는 유전자를 억제하는 것을 멈추게 하여, 포도당이 여전히 존재하는 동안에도 세포가 자일로스를 소비하는 데 필요한 도구들을 생산할 수 있게 했다는 것을 발견했습니다. 브레이크가 제거된 균주는 포도당을 잡는 데 책임이 있는 단백질이 현저히 감소했는데, 이는 포도당의 섭취 속도를 늦추어 자일로스가 동시에 섭취될 수 있도록 만든 것으로 보입니다. 연구진은 또한 이 박테리아들이 두 가지 혼합 당으로부터 생분해성 플라스틱을 만드는 데 사용되는 화학 물질인 젖산(lactic acid)을 얼마나 잘 생산하는지 테스트했습니다. 엔지니어링된 균주들은 수정되지 않은 원래의 박테리아보다 더 나은 성능을 보였습니다. 브레이크가 제거된 균주는 소비된 당 대비 젖산 생산량이 가장 높았으며, 원래 균주의 56.76%와 비교하여 72.76%의 수율에 도달했습니다. 자일로스 섭취 기제를 지속적으로 생산하도록 강제된 다른 균주 또한 63%의 수율을 보이며 강한 결과를 나타냈습니다.
이 연구는 단순히 박테리아가 더 많은 자일로스 섭식 도구를 생산하도록 강제하는 것도 도움이 되었지만, 두 당을 함께 먹게 만드는 가장 효과적인 방법은 박테리아가 포도당을 감지하고 소비하는 방식을 바꾸는 것이라는 점을 시사합니다. 선호하는 당의 섭취를 늦춤으로써, 박테리아는 두 번째 당에 훨씬 더 빨리 접근할 수 있었습니다. 이 접근 방식은 연구팀이 식물 폐기물에 더 효율적으로 작동하는 미생물 공장을 만들 수 있게 해주었습니다. 이 연구 결과는 박테리아의 유전 코드를 작고 구체적으로 변화시킴으로써, 박테리아의 자연스러운 식습관으로 인한 긴 지연 시간 없이 복잡한 혼합 당을 가치 있는 제품으로 전환하여 식물 기반 원료의 잠재력을 완전히 끌어올릴 수 있음을 보여줍니다. 이 작업은 우리가 재생 가능한 자원을 사용하여 미래의 재료를 만드는 방식을 개선하는 명확한 경로를 제공합니다.
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