Production, Purification and Characterization of Thermostable Amylase from Thermophilic Bacteria Isolated from Water and Sediments of Wanzaye Hot Spring, Ethiopia

산업 제조 분야에서 효소는 자연이 제공하는 도구로서, 그렇지 않으면 너무 오래 걸리거나 극한의 조건이 필요한 화학 반응을 가속화하는 역할을 합니다. 이 중에서도 아밀라아제는 식물에서 발견되는 흔한 에너지원인 전분을 단순한 당으로 분해하기 때문에 특히 가치가 높습니다. 이러한 효소들은 유용하지만, 많은 경우 온도가 상승하면 분해되거나 기능을 멈추는데, 이는 열을 필요로 하는 공정에서의 사용을 제한합니다. 바로 이 지점에서 호열성(heat-loving) 또는 열을 좋아하는 박테리아가 등장합니다. 온천과 같은 극한 환경에서 발견되는 이 미생물들은 높은 온도에서도 안정적이고 활발하게 유지되는 효소를 생성합니다. 과학자들은 식품 가공에서 세제 제조에 이르는 다양한 산업의 효율성을 높이기 위해 이 강력한 생물학적 촉매를 활용하고자 오랫동안 노력해 왔으나, 지열 활동이 있는 많은 지역은 여로써 이러한 특정 자원을 위해 거의 탐사되지 않은 상태로 남아 있습니다.

에티오피아의 연구진은 Wanzaye 온천의 물과 퇴적물이 그러한 내열성 효소를 생성할 수 있는 박테리아를 보유하고 있는지 조사하기 위해 에티오피아 북서부 지역의 천연 지열 지점인 이곳으로 시선을 돌렸습니다. 연구팀은 서늘하고 아열대적인 기후에 위치하면서도 섭씨 42도의 물을 내뿜는 이 온천에서 샘플을 채취했습니다. 연구진은 샘플을 섭씨 80도로 가열함으로써 일반적인 박테리아와 곰팡이를 걸러내고, 오직 강인한 포자 형성 호열성 균만을 남겼습니다. 이 생존자들로부터 20개의 서로 다른 박테리아 군집을 분리하였고, 전분을 분해하는 능력을 선별했습니다. 그중 8개가 강력한 활성을 보였으며, WA7, WA10, WA11, WA12라고 명명된 4개의 특정 균주가 심층 연구를 위해 선택되었습니다. 네 균주 모두는 회복력과 보호 포자를 형성하는 능력으로 알려진 바실러스(Bacillus) 속에 속하는 것으로 확인되었습니다.

효소를 생산하기 위해 연구진은 액체 대신 고체 농업 폐기물에서 미생물을 배양하는 방식인 고체 발효법을 사용하여 이 박테리아들을 키웠습니다. 그들은 밀겨(wheat bran), 쌀겨(rice bran), 바나나 껍질의 세 가지 서로 다른 재료를 테스트했습니다. 결과는 밀겨가 가장 우수한 선택이었으며, 가장 높은 효소 생산량을 지원한다는 것을 보여주었습니다. 연구팀은 박테리아가 섭씨 55도의 온도와 중성 pH 7에서 가장 잘 자라고 가장 많은 효소를 생산한다는 것을 결정했으며, 효소를 수확하기 위한 최적의 시간은 72시간의 성장 후라는 것을 밝혀냈습니다. 박테리아가 작업을 마친 후, 연구진은 조효소 혼합물을 추출하였고 단백질을 침전시키기 위해 소금을 첨가한 후 불순물을 제거하기 위해 세척하는 과정을 포함한 정제 과정을 거쳤습니다. 이 정제 단계는 활성 효소의 농도를 높여 이를 더욱 효과적으로 만들었습니다.

정제된 효소들은 그 역량을 이해하기 위해 일련의 테스트를 거쳤습니다. 분석 결과, 이 효소들의 크기는 분자량의 척도인 약 50 킬로달톤(kilodaltons)이었으며, 전분을 주로 맥아당(maltose)이라는 종류의 당으로 분해했습니다. 열 내성에 대해 테스트했을 때, 이 효소들은 매우 견고한 것으로 증명되었습니다. 이들은 특정 박테리아 균주에 따라 섭씨 65도에서 70도 사이에서 최고 성능에 도달했습니다. 더욱 인상적인 것은, 40도에서 80도 사이의 온도에서 한 시간 동안 방치된 후에도 효소들이 원래 활성의 76.8 퍼센트 이상을 유지했다는 점입니다. 또한 이들은 약간의 산성부터 약간의 알칼리성까지 넓은 범위의 산도에서도 안정적으로 기능하며 잘 작동했습니다.

아마도 이들의 잠재력을 가장 실질적으로 보여준 것은 에티오피아의 주식 작물인 생 옌세(enset) 전분과 관련된 것이었습니다. 연구진은 정제된 효소를 생 옌세 가루와 혼합하였고, 효소가 전분을 발효 가능한 당으로 전환하는 데 있어 네 균주 모두 70 퍼센트를 초과하는 효율을 보였으며, 가장 우수한 균주는 거의 91 퍼센트에 달한다는 것을 발견했습니다. 이는 이 효소들이 생전분을 직접 처리하는 데 사용될 수 있음을 시사하는데, 이 과정은 종종 어렵고 많은 에너지를 소모합니다. 이 연구는 Wanzaye 온천이 산업적으로 유의미한 박테리아를 가진 귀중하고 이전에 활용되지 않았던 자원임을 결론짓습니다. 밀겨와 같은 저렴한 농업 폐기물을 사용하여 이 미생물을 배양함으로써, 연구진은 현대의 전분 가공 산업에 필요한 높은 온도를 견딜 수 있는 효소를 생산하는 비용 효율적인 방법을 입증하였으며, 이는 지역 및 글로벌 제조를 위한 지속 가능한 경로를 제시합니다.