Carbon-Convergent Co-utilization of Ethanol and CO2 Enables Efficient 3-Hydroxypropionic Acid Biosynthesis in Komagataella phaffii
본 연구는 에탄올과 이산화탄소를 공동 활용하여 127.04 g/L라는 기록적인 3-히드록시프로피온산 농도를 달성하는 탄소 수렴 전략을 엔지니어링된 코마가텔라 파피(Komagataella phaffii)에서 확립함으로써, 화학적 이산화탄소 환원과 미생물 생합성을 결합하는 것의 타당성을 입증하였다.
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공기 중에서 유용한 화학 물질을 만들어내는 탐구는 오랫동안 지속 가능한 산업의 성배로 여겨져 왔습니다. 이산화탄소는 지구상에서 가장 풍부한 탄소원임에도 불구하고, 화학적으로 매우 완고합니다. 이산체의 원자들은 고도로 산화된 상태에 갇혀 있는데, 이는 에너지를 대부분 잃고 전자를 내어준 상태임을 의미합니다. 이 불활성 기체를 연료나 플라스틱 같은 복잡하고 에너지가 풍부한 분자로 바꾸려면, 자연이나 기계가 막대한 양의 에너지와 환원력(즉, 새로운 결합을 만드는 데 필요한 전자)을 공급해야 합니다. 화학 공장들은 열과 압력을 이용해 이러한 전환을 강제할 수 있지만, 효율성과 선택성 측면에서 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 반면, 생물학적 시스템은 정밀하게 복잡한 구조를 구축하는 데 능숙한 숙련된 화학가이지만, 대개 이를 위해 설탕과 같이 풍부하고 환원된 먹이원을 필요로 합니다. 과제는 이 두 세계를 잇는 것입니다. 즉, 미생물에게 이산로탄소로부터 유도된 단순하고 환원된 중간체를 먹이로 제공함으로써, 세포가 비싼 설탕 없이도 가치 있는 제품을 완성할 수 있도록 하는 방법을 찾는 것입니다.
웨스트레이크 대학교(Westlake University)와 절강 대학교(Zhejiang University)의 연구진은 에탄올을 가교 역할을 하는 물질로 사용하여 이 문제에 대한 영리한 해결책을 찾아냈습니다. 그들은 흔한 효모인 *코마가텔라 파피(Komagataella phaffii)*가 에탄올과 이산화탄소를 동시에 섭취하여, 생분해성 플라스틱부터 아크릴 섬유에 이르기까지 다방면으로 쓰이는 다재다능한 화학 물질인 3-히드록시프로피온산(3-hydroxypropionic acid)으로 변환하도록 설계했습니다. 연구팀은 에탄올이 이 작업에 완벽한 "넥서스 분자(nexus molecule)"라는 사실을 발견했습니다. 다른 잠재적 중간체들과 달리, 에탄올은 두 개의 탄소 원자와 충분한 에너지 공급원을 가지고 있습니다. 효모가 에탄올을 소비하면, 이를 '아세틸-CoA(acetyl-CoA)'라고 불리는 2탄소 단위로 분해하며, 이것이 새로운 화학 물질의 뼈대 역할을 합니다. 결정적으로, 이 분해 과정은 세포가 공기 중의 세 번째 탄소 원자를 잡아채어 뼈대에 붙이는 데 필요한 에너지와 전자를 생성합니다. 이를 통해 효모가 에탄올의 탄소 2개와 공기 중의 탄소 1개를 결합하여 3탄소 제품을 만드는 간결한 "2 더하기 1은 3" 경로가 만들어집니다.
이 작업을 수행하기 위해 과학자들은 효모의 내부 대사를 재설계해야 했습니다. 그들은 먼저 여섯 가지 서로 다른 효모 균주를 테스트하여 어떤 균주가 에한올을 유일한 먹이원으로 가장 잘 다룰 수 있는지 확인했습니다. 그 결과, 코마가텔라 파피 GS115 균주가 에탄올을 빠르게 소비하고 독성 부산물에 막히지 않으면서 세포 질량으로 전환하는 데 가장 견고하다는 것을 발견했습니다. 그러나 단순히 효모에게 에탄올을 먹이는 것만으로는 목표 화학 물질을 높은 수준으로 생산할 수 없었습니다. 연구진은 에탄올 분해 산물을 최종 제품에 필요한 빌딩 블록으로 전환하는 데 필요한 단계인 아세테이트 활성화 능력에서 병목 현상을 확인했습니다. 그들은 이 문제를 해결하기 위해 특정 효소인 아세틸-CoA 합성효소(acetyl-CoA synthetase)가 더 효율적으로 작동하도록 설계했습니다. 컴퓨터 모델링과 실험실 테스트를 결합하여, 그들은 아세테이트를 훨씬 빠르게 처리할 수 있는 돌연변이 효소를 만들어냄으로써 생산을 중단시킬 수 있는 중간 화학 물질의 정체를 방지했습니다.
엔진 조율을 마친 후, 팀은 이산화탄소를 포착하는 데 필요한 유전적 기제를 도입했습니다. 그들은 공기 중의 탄소 원자를 잡아채어 에탄올에서 유도된 2탄소 뼈대에 딱 붙이는 분자 집게 역할을 하는 효소를 추가했습니다. 또한 에너지 운반체의 공급을 조절하고, 자원을 원하는 제품이 아닌 다른 곳으로 돌릴 수 있는 경쟁 경로를 제거했습니다. 그 결과, 'LT-28'이라 명명된 고도로 최적화된 균주가 탄생하여 통제된 발효 탱크에서 테스트되었습니다. 이 환경에서 효모는 에탄올과 이산화탄소를 소비하여 액체 1리터당 127.04그램의 3-히드록시프로피온산을 생산했습니다. 이는 미생물이 무에서 유를 창조하며 이 화학 물질을 만들어낸 기록 중 역대 최고치이며, 설탕이나 글리세롤에 의존했던 이전의 노력들을 뛰어넘는 수치입니다. 최종 생성물의 탄소 원자가 정확히 어디에서 왔는지 증명하기 위해, 연구진은 무거운 동위원소를 이용한 기술을 사용했습니다. 그들은 무거운 탄소로 만든 에탄올과 무거운 탄소로 만든 이산화탄소를 각각 따로, 그리고 함께 효모에게 먹였습니다. 결과는 최종 화학 물질이 실제로 하이브리드 형태임을 보여주었는데, 즉 두 개의 탄소는 에탄올에서, 한 개의 탄소는 이산화탄소에서 왔으며, 이는 "2 더하기 1" 전략이 설계대로 작동했음을 확인시켜 주었습니다.
이 접근 방식의 궁극적인 시험은 실제 산업 폐기물에 적용될 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 이산화탄소를 에탄올로 전환하는 화학 반응기를 자신들의 바이오 리액터에 직접 연결했습니다. 에탄올을 먼저 정제하는 대신, 에탄올과 다른 부산물들이 포함된 가공되지 않은 액체 흐름을 효모에 그대로 공급했습니다. 설계된 균주는 이 혼합물을 잘 처리하여 에탄올을 목표 화학 물질로 높은 효율로 전환했습니다. 이는 이산화탄소가 먼저 촉매에 의해 액체 연료 중간체로 전환된 후, 살아있는 세포에 의해 즉시 고부가가치 화학 물질로 업그레이드되는 완전한 엔드 투 엔드(end-to-end) 프로세스를 입증했습니다. 이 통합 시스템에 대한 경제성 분석은 이 방식이 재정적으로 실행 가능하며, 화학 제조의 탄소 발자국을 크게 낮출 수 있는 잠재력이 있음을 시사합니다. 재생 에너지를 사용하여 초기 전환을 유도하고 복잡한 조립은 생물학에 맡김으로써, 이 방법은 산업용 화학 물질이 화석 연료가 아닌 우리가 마시는 공기로부터 만들어지는 미래를 향한 길을 제시합니다.
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