Development of yeast-based integrated bioprocess for xylitol and ethanol production from xylan-rich lignocellulosic materials
본 연구는 비전형적 효모인 *Sugiyamaella novakii*가 세포 외 자일라네이스를 생성하고 통합된 효소 미사용 바이오공정을 통해 자일란이 풍부한 농업 잔사물을 자일리톨과 에탄올로 전환할 수 있는 다기능성 바이오촉매임을 규명함으로써, 지속 가능한 리그노셀룰로오스 가치 제고를 진전시킨다.
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우리의 농장과 숲에서 발생하는 폐기물이 태워지거나 썩어 없어지는 대신, 감미료나 연료와 같은 유용한 재료로 변모하는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 식물성 물질을 가치 있는 제품으로 바꾸고자 하는 과학 분야인 바이오 리파이닝(biorefining)의 약속입니다. 식물은 마치 복잡한 밧줄과 그물망처럼 견고한 섬유질로 구성되어 있습니다. 이 그물망에서 가장 풍부한 부분 중 하나는 많은 식물의 세포벽에서 발견되는 당 사슬의 일종인 자일란(xylan)이라는 물질입니다. 내부에 숨겨진 유용한 당에 도달하기 위해, 과학자들은 먼저 이 사슬을 분해해야 합니다. 전통적으로 이는 값비싼 별도의 단계들을 필요로 했습니다. 먼저 효소를 사용하여 식물 섬유를 단순한 당으로 잘게 부수고, 그다음 미생물을 사용하여 그 당을 제품으로 발효시키는 과정입니다. 이 2단계 공정은 비용이 많이 들고 복잡합니다. 과학자들의 더 효율적인 꿈은 두 가지 일을 동시에 수행할 수 있는 단 하나의 살아있는 유기체를 찾는 것입니다. 즉, 섬유를 분해하는 동시에 그 결과로 나온 당을 제품으로 만드는 것입니다. '통합 생물 공정(consolidated bioprocess)'이라 불리는 이 접근 방식은 식물 폐기물을 유용한 물건으로 만드는 과정을 훨씬 더 저렴하고 지속 가능하게 만들 수 있습니다.
최근 한 연구에서 연구진은 이러한 이중 과업을 수행할 수 있는 자연적인 미생물을 찾기 위해 노력했으며, 특히 자일란이 풍부한 재료를 다룰 수 있는 효모를 중점적으로 조사했습니다. 효모는 제빵이나 양조에 자주 사용되는 작고 단세포인 균류이지만, 대부분의 흔한 종류는 단단한 식물 섬유를 분해하지 못합니다. 헝가리와 태국의 과학자들로 구성된 팀은 자일을 분해하는 데 필요한 효소를 생성하면서 동시에 방출된 당을 저칼로리 감미료인 자일리톨과 알코올 연료의 일종인 에탄올로 발효시킬 수 있는지 확인하기 위해 야생의 비전형적 효모 컬렉션을 선별했습니다. 11개의 서로 다른 균주를 테스트한 끝에, 연구진은 Sugiyamaella novakii라는 특정 야생 효모를 강력한 후보로 식별했습니다. 특정 작업을 수행하도록 실험실에서 개조된 많은 공학적 미생물과 달리, 이 효모는 자연에서 발견되었으며 자일을 소화하는 효소를 분비하는 동시에 자일리톨을 생산하는 희귀한 능력을 이미 갖추고 있었습니다.
연구진은 먼저 이 효모가 통제된 실험실 환경에서 실제로 자일을 분해하고 자일리톨을 생산할 수 있음을 확인했습니다. 그들은 이 효모가 약간 산성인 조건에서 가장 잘 작동한다는 것을 발견했는데, 이는 산성 환경이 원치 않는 박테리아의 성장을 자연적으로 억제하여 엄격한 멸균의 필요성을 줄여주기 때문에 유용한 특성입니다. 또한 그들은 산소의 양이 효모의 행동을 변화시킨다는 사실도 발견했습니다. 산소가 충분할 때 효모는 자신의 세포를 성장시키는 데 집중했습니다. 산소가 제한될 때, 효모는 에너지를 자일리톨과 에탄올을 생산하는 쪽으로 전환했습니다. 산소 수치를 세심하게 조절함으로써, 연구진은 효모가 원하는 화학 물질을 생산하도록 유도할 수 있었습니다.
이 공정이 더 큰 규모에서도 작동할 수 있는지 확인하기 위해, 연구진은 실험을 작은 플라스크에서 온도, 산소, 혼합을 정밀하게 제어할 수 있는 작은 탱크인 500밀리리터 바이오리액터로 옮겼습니다. 그들은 두 가지 재료, 즉 순수 자일란과 흔한 농업 폐기물인 보리 껍질을 대상으로 효모를 테스트했습니다. 바이오리액터에서 그들은 2단계 공정을 진행했습니다. 먼저, 효소를 생성하고 자일란을 분해하도록 촉진하는 조건을 만들었습니다. 그다음, 방출된 당을 자일리톨과 에탄올로 전환하도록 효모를 유도하는 조건으로 조정했습니다. 실험은 원칙적으로 성공적이었습니다: 효모는 외부 효소를 추가하지 않고도 자일을 성공적으로 분해하고 자일리톨과 에탄올을 모두 생산했습니다. 순수 자일란을 대상으로 48시간 동안 진행한 결과, 리터당 1.1그램의 자일리톨과 리터당 1.8그램의 에탄올을 얻었습니다. 실제 보리 껍질로 동일한 과정을 시도했을 때도 효모는 여전히 작동하여 적은 양의 자일리톨을 생산했지만, 순수 자일란보다는 수율이 낮았습니다.
이 연구는 Sugiyamaella novakii 효모가 단일 단계 생물 공정을 위한 유망한 도구임을 강조하지만, 산업적으로 사용되기 전에는 넘어야 할 장애물들이 여전히 남아 있습니다. 보리 껍질에서 얻은 제품의 양은 상대적으로 적었는데, 이는 식물 물질이 효모의 효소에 완전히 노출되지 않았음을 시사합니다. 연구진은 단단한 식물 섬유를 분해하는 효율성이 주요 병목 현상이라고 언급했습니다. 또한 그들은 효모가 최종 제품을 저장하는 대신 방금 만든 당을 자신의 세포를 구축하는 데 재사용하는 경우가 있다는 것을 관찰했습니다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 야생의 변형되지 않은 효모가 식물 섬유를 소화하고 가치 있는 화학 물질을 만드는 복잡한 과업을 단 한 단계로 수행할 수 있음을 입증합니다. 이 발견은 향후 연구를 통해 공정을 최적화하여, 값비싼 별도의 효소 생산 단계 없이 농업 폐기물을 감미료와 연료로 바꾸는 더 지속 가능한 방법을 열어줄 수 있습니다.
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