Biochemical constraints to the incorporation of dihydrogen into alternative electron acceptors in in vitro ruminal fermentation
본 연구는 푸마르산, 아크릴산, 크로톤산과 같은 카르복실산 중간체들이 반추위 발효 과정에서 가치 있는 휘발성 지방산으로 전환될 수 있음에도 불구하고, 이들의 환원은 외부의 디하이드로젠보다는 주로 세포 내 전자 공여체에 의존한다는 것을 입증하며, 이는 열역학적 잠재력만으로는 메탄 억제로 인한 수소 축적을 완화할 수 있는 대체 전자 수용체의 능력을 예측할 수 없음을 나타낸다.
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소의 트림과 수소 교통 체증
소의 위, 즉 반추위(rumen)를 활기차고 빠른 속도로 돌아가는 발효 공장이라고 상상해 보세요. 이 따뜻하고 산소가 없는(혐기성) 공간 안에서, 수조 마리의 미생물들이 풀과 건초를 분해하기 위해 열심히 일하고 있습니다. 미생물들은 풀을 씹으며 소에게 에너지원이 되는 지방산을 만들어내지만, 동시에 "배기가스"인 수소 가스도 많이 생성합니다. 건강하고 정상적인 공장에서는 메탄 생성균(methanogens)이라는 특수 작업 팀이 궁극적인 청소부 역할을 합니다. 이들은 과잉된 수소를 잡아 이산화탄소와 결합시켜 메탄을 만들고, 소는 이를 결국 트림으로 배출합니다. 이 청소 작업은 매우 중요한데, 만약 수소가 쌓이게 되면 조립 라인이 막혀 전체 발효 과정이 느려지고 에너지가 낭비되기 때문입니다.
여기 문제가 있습니다. 메탄은 이산화탄소보다 훨씬 더 효과적으로 열을 가두는 초강력 온실가스입니다. 과학자들은 특수한 화학적 저해제(마치 임시 "방해 금지" 표지판 같은 역할)를 사용하여 메탄을 만드는 팀을 잠시 멈추는 방법을 찾아냈습니다. 하지만 메탄 생성 팀을 멈추면, 갈 곳 없는 수소 배기가스가 쌓이기 시작합니다. 이는 공장의 효율성을 떨어뜨리는 교통 체증을 유발합니다. 과학자들의 큰 질문은 이것입니다: 공장이 그 쌓여 있는 수소를 유용한 무언가를 만드는 데 사용하도록 속일 수 있을까? 구체적으로, 특정 "전자 수용체"(대안적인 건설 자재라고 생각하면 됩니다)를 추가하여, 수소를 잡아 공기 중으로 배출하는 대신 소에게 유익한 영양소로 바꿀 수 있을까요?
실험: 수소의 강줄기를 돌리려는 시도
이 연구에서 연구진은 반추위 혼합물에 푸마르산(fumaric), 아크릴산(acrylic), 크로톤산(crotonate)이라는 세 가지 특정 유형의 산을 추가하여 이 수소 교통 체증을 해결할 수 있는지 테스트하고자 했습니다. 아이디어는 간단하고 희망적이었습니다. 미생물들에게 이 산들을 제공하면, 그들이 과잉된 수소를 붙잡아 소가 실제로 사용할 수 있는 영양가 높은 지방산인 프로피온산과 부티르산을 만드는 데 사용하여 결과적으로 폐기물을 재활용할 수도 있다는 것이었습니다.
연구팀은 두 가지 주요 실험을 진행했습니다. 첫째, 반추위 액을 채취한 뒤, 메탄 생성을 막기 위해 저해제를 넣고, 이어서 세 가지 산을 서로 다른 양으로 투입했습니다. 그들은 수소 수치가 낮아지는지, 그리고 유익한 지방산의 생산량이 증가하는지를 면밀히 관찰했습니다. 결과는 다소 실망스러웠습니다. 산들이 원하는 지방산으로 변환되기는 했지만(미생물들이 이 산들을 먹는 것을 좋아했습니다), 이 과정에서 과잉된 수소를 사용하지는 않는 것처럼 보였습니다. 예를 들어, 푸마르산을 추가했을 때 산 자체는 사라졌음에도 불구하고 수소 수치는 거의 변하지 않았습니다. 알고 보니 미생물들은 외부에서 떠다니는 수소 가스를 잡는 대신, 자신들의 내부 에너지 저장고(세포 내부의 배터리 같은 것)를 사용하여 작업을 수행하고 있었습니다.
그 후 연구진은 미생물들에게 이 산들을 계속해서 반복적으로 먹인다면, 미생물들이 결국 수소를 사용하는 법을 "배울" 것이라는 희망을 품고 두 번째 접근 방식을 시도했습니다. 그들은 메탄 저해제를 유지하면서, 며칠마다 미생물을 새로운 먹이로 옮겨주는 연속 배양(serial culture) 방식을 설정하여 총 5회 과정을 거쳤습니다. 그들은 5회 차에 이르면 미생물들이 높은 수소 수치에 적응하여, 크로톤산을 이용해 부티르트를 만드는 데 수소를 사용하기 시작할 것이라고 기대했습니다. 비록 미생물들이 크로톤산을 부티르트로 바꾸는 능력은 매우 뛰어나졌지만(생산량이 3배 이상 증가했습니다!), 여전히 수소를 사용하는 데는 실패했습니다. 수소 수치는 이전처럼 여전히 높게 유지되었습니다.
이것이 우리에게 알려주는 것
이 연구는 단순히 이러한 산들을 추가하는 것만으로는 수소 교통 체증을 해결하기에 충분하지 않다는 점을 시사합니다. 비록 화학적으로는 이론상 가능할지라도(열역학적으로 가능함), 반추위 미생물의 실제 생물학적 과정은 이 산들을 지방산으로 바꾸는 과정과 외부의 수소 가스를 연결하지 않는 것으로 보입니다. 미생물들은 외부의 수소를 잡기보다는 자신들의 내부 에너지원을 사용하는 것을 선호합니다.
저자들은 특정 박테리아들이 수소를 사용하여 푸마르산을 환원할 수 있음에도 불구하고, 그들이 반추위 내에서 지배적인 역할을 하지 못하거나, 혹은 수소 축적과 경쟁할 만큼 강력하지 않을 수 있다고 지적합니다. 이 연구는 어떤 반응이 이론적으로 가능하다 하 해서 반드시 반추위 미생물 군집이 실제로 그 반응을 수행한다는 것을 의미하지는 않는다는 결론을 내립니다. 수소 문제를 진정으로 해결하려면, 단순히 기존의 미생물들이 적응하기를 바랄 것이 아니라, 외부 수소를 붙잡도록 설계된 특정 미생물을 찾거나 도입해야 할 수도 있습니다. 현재로서는, 이러한 산들이 메탄이 억제된 반추위 내에서 수소를 유용한 영양소로 자동 재활용할 것이라는 생각은 단독 해결책으로서 실현 가능성이 낮아 보입니다.
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