Optimization of carotenoid production by Rhodotorula mucilaginosa using sugarcane bagasse hydrolysate as carbon source and mutagen ethyl methanesulfonate for biosynthesis of antioxidant

식품과 의학의 세계에서 자연은 단순히 세상을 색칠하는 것 이상의 역할을 하는, 생동감 넘치는 색소 팔레트를 제공합니다. 이들은 바로 지구를 보호합니다. 당근, 토마토 및 기타 많은 식물에서 발견되는 카로티노이드 계열의 항산산화 화합물이 그중 하나입니다. 이 분자들은 살아있는 세포를 위한 방패 역할을 하며, 조직을 손상시키고 만성 질환의 원인이 될 수 있는 해로운 물질들을 중화시킵니다. 수십 년 동안 과학자들은 농작물 수확에만 전적으로 의존하지 않고 이러한 가치 있는 화합물을 생산할 방법을 모색해 왔는데, 이는 농작물 수확이 계절적이고 토지 집약적일 수 있기 때문입니다. 대신, 그들은 미생물의 세계로 눈을 돌려 효모나 박테리아와 같은 작은 유기체를 살아있는 공장으로 활용했습니다. 이 미생물들은 단순한 당분을 먹고 카로티노이드를 대량으로 생산하도록 유도될 수 있으며, 이는 식량 공급과 경쟁하지 않는 지속 가능한 대안을 제시합니다. 그러나 과제는 이 미생물들을 위한 저렴하고 풍부한 먹이를 찾는 것, 그리고 그들이 자연 상태의 조상보다 더 많이 생산하도록 더 열심히 일하도록 훈련시키는 데 있습니다.

인도네시아의 한 연구팀은 농업 폐기물을 고부가가치 제품으로 전환함으로써 이 노력에서 중요한 진전을 이루었습니다. 그들은 사탕수수 즙을 짜낸 후 남은 섬유질 잔여물인 사탕수수 바가스(bagasse)에 주목했습니다. 이 재료는 전 세계적으로 매년 수억 톤이 생산되지만 종종 제대로 활용되지 못하는 풍부한 자원입니다. 연구진은 바가스가 셀룰로오스, 즉 효모가 먹기에 좋아하는 포도당과 같은 단순 당으로 분해될 수 있는 복합당이 풍간한 물질이라는 점을 알고 있었습니다. 그들의 목표는 이 폐기물을 적색 효모인 Rhodotorula mucilaginosa의 성장 배지로 변환하는 것이었습니다. 이 효모는 카로티노이드를 생산하는 능력으로 잘 알려져 있습니다. 과정을 더욱 효율적으로 만들기 위해, 그들은 단순히 천연 효모에만 의존하지 않고, 원래의 균주보다 훨씬 더 많은 색소를 생산하는 '슈퍼 효모' 돌연변이를 만드는 화학적 도구를 사용했습니다.

여정은 사탕수수 폐기물을 준비하는 것으로 시작되었습니다. 연구진은 건조된 바가스를 가져와 약한 알칼리 용액으로 처리하여 단단한 구조를 느슨하게 만들어 분해하기 쉽게 만들었습니다. 그 다음, 긴 셀룰로오스 사슬을 효모가 생존하는 데 필요한 단순 포도당과 자일로스 당으로 자르는 분자 가위 역할을 하는 특정 효소인 셀룰라아제를 첨가했습니다. 다양한 화학적 농도를 세심하게 테스트한 결과, 그들은 완벽한 레시피를 찾아냈습니다. 즉, 0.75 몰 농도의 수산화나트륨 처리 후 리터당 20그램의 효소를 이용한 가수분해였습니다. 이 조합은 리터당 약 27.34그램의 포도당과 3.59그램의 자일로스를 포함하는, 발효 가능한 당이 풍부한 액체를 만들어냈습니다. 이 달콤한 육수는 비싼 정제 설탕을 대신하여 효모의 새로운 집이 되었습니다.

먹이가 준비되자 연구진은 효모 자체를 개선하는 데 집중했습니다. 그들은 천연 Rhodotorula mucilaginosa 균주가 능력이 있다는 것을 알고 있었지만, 그 한계를 뛰어넘기를 원했습니다. 이를 위해 그들은 효모 세포를 에틸 메탄설포네이트(ethyl methanesulfonate)에 노출시켰는데, 이는 유기체의 유전 암호에 작적인 변화를 일으키는 화학적 돌연변이 유발 물질입니다. 이 과정을 효모의 설명서에 담긴 카드를 섞는 것에 비유해 보십시오. 대부분의 섞기는 변화가 없거나 망가진 패를 만들지만, 가끔은 섞는 과정에서 승리하는 조합을 만들어내기도 합니다. 그들은 다양한 농도의 화학 물질을 테스트하여 4퍼센트 용액이 가장 적절하다는 것을 찾아냈습니다. 이 농도는 대다수의 세포(약 97.6%)를 죽여서 가장 강인한 생존자들만 남기기에 충분히 강력하면서도, 유익한 유전적 변화를 겪은 소수의 생존 가능한 군락을 남길 만큼은 충분히 부드러웠습니다.

이 화학적 도전에서 살아남은 개체들로부터, 연구진은 어떤 것이 가장 많이 개선되었는지 확인하기 위해 7개의 서로 다른 군락을 선별했습니다. 그들은 각 군락을 표준 영양 배지에서 키우며 얼마나 많은 카로티노이드를 생산하는지 측정했습니다. 여러 돌연변이가 가능성을 보였지만, M7이라고 명명된 한 균주가 일관성과 높은 출력 면에서 독보적이었습니다. 연구진이 이 돌연변이를 수정되지 않은 원래의 효모와 비교했을 때, 그 차이는 놀라웠습니다. M7 돌연변이는 건조 효모 생물량 1그램당 33.12 마이크로그램의 카로티노로를 생산했는데, 이는 원래의 균주가 22.64 마이크로그램을 생산했던 것에 비해 1.46배 증가한 수치였습니다. 이러한 개선은 단순히 세포 내에 더 많은 색소가 있는 것뿐만 아니라, 돌연변이가 바가스 배지의 당을 카로티노이드로 훨씬 더 효율적으로 전환했기 때문이기도 했습니다. 포도당 1그램을 소비할 때마다, 돌연변이는 5.15 마이크로그램의 카로티노이드를 생성한 반면, 천연 균주는 그 절반에도 못 미치는 양을 생성했습니다.

돌연변이의 성능은 전체 생산량 측면에서도 이어졌습니다. 동일한 시간 동안 M7 균주는 액체 리터당 총 66.80 마이크로그램의 카로티노이드 농도를 생성했는데, 이는 천연 균주가 생산한 33.51 마이크로그램의 거의 두 배에 달하는 수치입니다. 이는 생산 속도가 두 배 빠르다는 것을 의미하며, 돌연변이는 리터당 시간당 0.46 마이크로그램을 생성한 반면, 원래의 균주는 0.23을 생성했습니다. 수치를 넘어, 연구진은 돌연변이가 사탕수수 환경에 더 잘 적응했음을 관찰했습니다. 천연 효모가 새로운 배지에 적응하여 성장을 시작하기까지 6시간이 걸린 반면, M7 돌연변이는 즉시 증식을 시작했는데, 이는 유전적 변화가 이들을 더 회복력 있고 준비된 상태로 만들었음을 시사합니다.

마지막으로, 연구진은 이러한 생산량 증가가 실제로 더 강력한 항산산화 효과를 가져오는지 테스트했습니다. 그들은 항산화제의 핵심 기능인 자유 라디칼을 중화하는 능력을 측정하는 표준 테스트를 사용했습니다. M7 돌연민의 추출물은 46.94%의 라디칼 제거 활성을 보여, 천연 균주의 35.75%보다 높았습니다. 그러나 통계적 분석 결과, 이 차이는 원래의 균주보다 확실히 개선되었다고 간주할 만큼 유의미하지 않았습니다. 이는 돌연변이가 전체적으로 더 많은 카로티노이드를 생산했음에도 불구하고, 생성된 색소의 구체적인 혼합물이 변했을 수 있음을 시사합니다. 효모는 베타카로틴, 툴렌(torulene), 툴루로딘(torularhodin) 등 다양한 종류의 카로티노이드를 생산하며, 이들은 각각 다른 항산화 강도를 가집니다. 돌연변이가 이 특정 테스트에서 효력이 낮은 유형의 색소를 더 많이 생산했거나, 혹은 총 색소량의 증가가 이 특정 분석에서 명확한 통계적 차이를 보여줄 만큼 충분하지 않았을 가능성이 있습니다.

이 연구는 농업 폐기와 유전적 개선을 결합하는 것이 카로티노이드 생산을 위한 실행 가능한 경로임을 결론짓습니다. 사탕수수 바가스를 사용함으로써, 연구진은 이 미생물 공장에 연료를 공급하기 위해 값비싼 식품 등급의 당이 필요하지 않다는 것을 입증했습니다. 화학적 돌연변이 유발을 통해, 그들은 천연 효모 균주가 더 열심히, 더 효율적으로 일하도록 강화될 수 있음을 보여주었습니다. 비록 최종 제품의 항산산화력이 정확히 어떤 색소가 존재하는지 이해하기 위한 추가적인 세부 연구를 필요로 하지만, 이 과정 자체는 유망한 틀을 제공합니다. 이는 폐기물을 가치 있는 자원으로 바꾸고 더 생산적인 유기체를 만들어냄으로써, 지구의 식량 시스템에 부담을 주지 않으면서도 저렴하고 지속 가능하게 천연 색소를 만들 수 있는 미래를 향한 길을 제시합니다.