Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production

햇빛은 해양 생명력을 움직이는 엔진이지만, 미세조류라고 알려진 작고 단세포인 식물들에게는 과유불급이 될 수 있습니다. 이 미세한 유기체들은 빛 에너지를 포착하여 음식과 성장으로 전환하기 위해 엽록소라고 불리는 녹색 색소에 의존합니다. 하지만 이 세포들이 커다란 탱크 안에서 밀집하여 자라게 되면, 높은 농도의 녹색 색소가 하나의 장벽을 형성합니다. 바깥쪽에 있는 세포들이 거의 모든 빛을 흡수하여 깊은 그림자를 드리움으로써, 중간에 있는 세포들을 굶주리게 만듭니다. 흔히 '그림자 효과(shadow effect)'라고 불리는 이 현상은 전체 배양액이 생산할 수 있는 바이오매스의 양을 제한하며, 연료나 기타 제품을 위해 이러한 유기체들을 대규모로 효율적으로 재배하는 것을 어렵게 만듭니다.

과학자들은 미세조류가 생존하는 데 덜 필요한 만큼의 엽록소를 갖도록 하거나 그런 변종을 만들어냄으로써 이 한계를 우회하는 방법을 오랫동안 모색해 왔습니다. 만약 어떤 변종이 더 적은 녹색 색소로도 자랄 수 있다면, 빛이 배양액 더 깊숙이 침투할 수 있게 되어 더 많은 세포가 동시에 성장할 수 있고, 결과적으로 총 수확량을 늘릴 수 있을 것입니다. 그리스 크레타 공과대학교의 연구팀은 최근 Stichococcus(스티코코쿠스)라고 불리는 특정 막대 모양의 미세조류를 활용하여 이 과제에 도전했습니다. 그들은 자연 상태의 야생종보다 엽록소를 적게 생성하면서도 더 빠르게 성장하고 기름이나 당분과 같은 더 가치 있는 화학 물질을 더 많이 생산하는 버전을 만들고자 했습니다.

이를 달로 하기 위해, 연구진은 화학적 돌연변이 유발법(chemical mutagenesis)을 사용했습니다. 그들은 야생 Stichococcus 배양액을 유기체의 유전 암호에 무작위적인 변화를 일으키는 역할을 하는 에틸 메탄설포네이트(ethyl methanesulfonate)라는 화학 물질에 노출시켰습니다. 이 과정은 세포의 DNA에 작고 예측 불가능한 변화를 도입합니다. 목표는 특정한 변화를 설계하는 것이 아니라, 다양한 무작위 돌연변이를 생성한 후 그중에서 우연히 엽록소가 적은 형질을 가진 개체를 걸러내는 것이었습니다. 연구팀은 전체 개체군을 전멸시키지 않으면서 새로운 형질의 출현을 촉진할 수 있는 수준의 스트레스를 주기 위해 화학 물질의 농도를 세심하게 조절하여, 약 5%의 세포만이 살아남도록 했습니다.

화학적 처리가 끝난 후, 연구진은 생존한 세포들을 고체 한천 접시에 배양하고 눈에 보이는 군락(colony)으로 자라날 때까지 기다렸습니다. 그들은 원래의 진한 녹색 야생종보다 색이 연하게 보이는 군락을 찾았습니다. 이들 중에서 가장 색이 연해 보이는 두 가지 특정 변종을 선택하여 EMS1과 EMS2라고 명명했습니다. 이 연한 색상이 단순히 일시적인 반응이 아니라 영구적인 유전적 변화임을 확인하기 위해, 연구팀은 이 변종들을 해수 액체 배지에서 3세대 동안 배양했습니다. 그 후, 동일한 조건 하에서 이 새로운 돌연변이들을 원래의 야생형과 비교하여 바이오매스 생산량, 엽록소 함량, 그리고 저장된 기름 및 탄수화물 양을 측정했습니다.

결과는 돌연변이 변종들의 명확한 우위를 보여주었습니다. 가장 뛰어난 성과를 보인 EMS1 변종은 야생형보다 유의미하게 빠르게 성장하고 더 많은 총 바이오매스를 생산했습니다. 2주간의 실험이 끝날 무렵, EMS1 배양액은 리터당 2.47그램의 밀도에 도달한 반면, 야생형은 2.20그램에 그쳤습니다. 더 중요한 것은, EMS1 변종이 훨씬 적은 양의 엽록소를 함유하고 있었다는 점입니다. 야생형은 건조 바이오매스 1그램당 약 11밀리그램의 엽록소를 보유한 반면, EMS1 돌연변이는 약 6.29밀리그램만을 보유했습니다. 이러한 색소 감소는 돌연변이가 빛을 수확하는 능력을 성공적으로 변화시켰음을 확인시켜 주었으며, 이는 빛 투과가 제한적인 고밀도 배양 환경에서 더 효율적으로 성장할 수 있음을 시사합니다.

단순히 더 빠르게 성장하고 녹색 색소가 적은 것을 넘어, 이 돌연변이 변종은 가치 있는 산업용 물질을 생산하는 데 있어서도 가능성을 보여주었습니다. 연구진은 EMS1 변종이 바이오 연료로 전환될 수 있는 지방인 지질(lipids)과 다른 화학 제품으로 사용될 수 있는 탄수화물을 더 많이 저장한다는 것을 발견했습니다. EMS1 변종의 지질 함량은 건조 중량의 21%까지 상승했는데, 이는 야생형의 15%와 비교됩니다. 마찬가지로, 탄수화물 함량 또한 원래의 28%에서 건조 중량의 44%로 증가했습니다. 세포 내 단백질 양은 모든 그룹에서 거의 동일하게 유지되었는데, 이는 돌연변이가 세포의 기본적인 구조적 구성 요소를 희생하지 않으면서 에너지 저장 화합물의 생산을 구체적으로 촉진했음을 나타냅니다.

본 연구는 화학적 돌연변이 유발 과정이 대규모 생산을 위한 미세조류 변종을 개선하는 데 있어 실행 가능한 방법임을 결론짓습니다. 낮은 엽록소 함량과 더 높은 바이오매스 및 가치 있는 화학 물질 수율을 가진 EMS1 변종은 중요한 진전을 의미합니다. 연구진은 향후 이 특정 변종을 미세조류가 자유롭게 떠다니는 대신 고체 표면에서 자라는 시스템인 바이오필름 광생물 반응기(biofilm photobioreactors) 실험에 사용할 계획입니다. 빛이 배양액 더 깊숙이 전달될 수 있도록 하는 이 변종을 사용하여, 그들은 산업 폐가스에서 이산가스를 포집하고 이를 고부가가치 제품으로 더 효율적으로 전환함으로써, 낮은 재배 비용으로 폐가스를 자원으로 바꾸기를 희望하고 있습니다.