Stepwise utilization of H2 between Geobacter sulfurreducens and Methanosarcina barkeri promoted CO2-to-CH4 conversion
*Geobacter sulfurreducens*와 *Methanosarcina barkeri* 사이의 공생적 공배양을 구축하는 것은 단계적인 H₂ 이용, 상향 조절된 대사 경로, 그리고 풀빅산 유사 물질에 의해 매개되는 종간 전자 전달을 통해 물질 전달 제한을 극복함으로써 CO₂-to-CH₄ 전환율을 유의미하게 향상시킨다.
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에너지의 미래를 정화하기 위한 탐구 과정에서, 과학자들은 폐기되는 이산화탄소를 유용한 연료로 전환하는 방법을 찾고 있습니다. 한 가지 유망한 방법은 생물학적 공장 역할을 하는 미세한 생물들을 이용하는 바이오메테네이션(biomethanation)이라는 공정을 포함합니다. 이들은 온실가스인 이산화탄소를 수소 가스와 결합하여 천연가스의 주성분인 메탄을 만들어냅니다. 이는 풍력이나 태양광에서 생성된 과잉 전기로 수소를 만들 수 있기 때문에 매력적인데, 이는 재생 에너지를 태우거나 기존 파이프라인에 공급할 수 있는 가스 형태로 효과적으로 저장할 수 있게 해줍니다. 하지만 이 과정에는 중대한 병목 현상이 존재합니다. 수소 가스는 물에 잘 녹지 않으며, 작업을 수행하는 미생물들은 액체 환경에서 살아가기 때문입니다. 가스가 공기 방울에서 미생물이 잡아챌 수 있는 액체 속으로 이동하는 데 어려움을 겪기 때문에, 전체 반응이 대규모로 실용화하기에는 너무 느리게 진행되는 경우가 많습니다.
이를 해결하기 위해, 저장대학교(Zhejiang University)의 연구진은 두 종류의 미세 생명체, 즉 Geobacter sulfurreducens라는 박테리아와 Methanosarcina barkeri라는 고세균 사이의 파트너십을 조사했습니다. M. barkeri는 보통 수소를 직접 섭취하며 메탄을 생산하는 것으로 알려져 있는데, 과학자들은 G. sulfurreducens를 추가하면 이 과정을 가속화할 수 있을지 궁금해했습니다. 이 박테리아는 전자를 이동시키는 능력, 즉 본질적으로 생물학적 전선 역할을 하는 것으로 유명합니다. 연구팀은 이 두 유기체가 협력하여 가스가 액체에 용해되는 느린 단계를 우회함으로써, 이산화탄소를 메탄으로 바꾸는 지름길을 효과적으로 만들어낼 수 있는지 확인하고자 했습니다.
연구진은 밀폐된 용기에 두 유기체를 영양 배지와 함께 섞은 후, 수소와 이산색소의 혼합 가스를 액체 속으로 통과시켰습니다. 그들은 이 혼합 배양물을 메탄 생성 박테리아만 포함된 대조군과 비교했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 혼합 배양군은 수소 가스를 훨씬 빠르게 소비하여 단 4일 만에 모두 사용한 반면, 고세균 단독 배양군은 동일한 양을 처리하는 데 8일이 걸렸습니다. 이러한 속도 향상은 메탄 생산으로 직결되었습니다. 혼합 배양군은 하루당 피드스톡 수소 1밀리리터당 0.158밀리리터의 속도로 메탄을 생산했는데, 이는 고세균이 단독으로 작업할 때보다 3배 이상 빠른 속도였습니다. 더욱이, 혼합 배양은 단일 종 그룹보다 더 빨리 가스 생산을 시작했으며, 정점 속도에도 거의 반나절 더 일찍 도달했습니다.
이 파트너십이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 연구팀은 세포와 세포가 방출하는 화학 물질을 면밀히 관찰했습니다. 강력한 현미경을 사용하여 그들은 두 종류의 세포가 매우 가까이 붙어 있는 것을 보았는데, 이는 긴밀한 물리적 연결을 시사합니다. 또한 그들은 미생물이 자신을 보호하고 소통하기 위해 분비하는 끈적한 물질인 세포외 고분자(extracellular polymers)를 분석했습니다. 혼합 배양에서 이 물질들은 전자 셔틀 역할을 하는 특정 화합물의 높은 수준을 포함하고 있었습니다. 토양에서 발견되는 천연 유기물과 유사한 이 화합물들은 한 유기체로부터 전자를 받아 다른 유기체로 전달할 수 있습니다. 이 발견은 박테리아가 단순히 옆에 앉아 있는 것이 아니라, 화학적 가교를 통해 능동적으로 전자를 거래하고 있음을 시사합니다. 이를 통해 고세균은 수소 가스가 물에 천천히 녹기를 기다리지 않고도 메탄을 만드는 데 필요한 에너지를 받을 수 있었습니다.
더 깊이 파고들어, 과학자들은 세포 내부의 단백질을 조사하여 어떤 유전적 스위치가 켜지거나 꺼지는지 확인했습니다. 고세균 내에서는 메탄 제조의 마지막 단계에 관여하는 단백질들이 평소보다 더 활발하게 작동하고 있었습니다. 동시에, 수소를 직접 잡아채는 데 사용되는 기제는 덜 활성화되어 있었습니다. 이는 고세균이 수소를 먹는 자신의 능력에만 의 Rely하지 않고 있었다는 것을 나타냅니다. 대신, 고세균은 화학적 가교를 통해 박테리아로부터 전자를 받고 있었습니다. 박테리아는 결과적으로 자신의 특화된 수소 섭취 효소를 사용하여 수소 가스를 분해하고 그로부터 얻은 전자를 전달하는 역할을 수행했습니다. 이러한 분업은 박테리아가 가스를 잡는 어려운 과제를 맡고, 고세균은 에너지를 메탄으로 전환하는 데 집중하는 더 효율적인 시스템을 만들어냈습니다.
이 연구는 이 생물학적 팀워크가 물에 가스가 용해되는 물리적 한계를 극복하는 지속 가능한 방법을 제공한다고 결론짓습니다. 박테리아가 브릿지 역할을 하여 메탄 생산자에게 전자를 직접 전달하게 함으로써, 과정은 훨씬 더 빠르고 효율적이 됩니다. 연구진은 고세균이 이러한 전자를 정확히 어떻게 받는지에 대해 여전히 더 배워야 한다고 언급했지만, 공동 배양 방식이 메탄 생산 속도를 높인다는 증거는 명확합니다. 이 접근 방식은 결국 재생 가능한 천연가스를 깨끗한 에너지를 저장하고 탄소 배출을 줄이기 위한 더 실행 가능한 옵션으로 만드는 데 기여할 수 있으며, 느리고 어려운 화학 반응을 빠르고 역동적인 생물학적 과정으로 변화시킬 것입니다.
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