바이오테크 혁신: 화석 연료를 대체하도록 설계된 나무

 

노스캐롤라이나 주립 대학의 과학자들은 CRISPR를 사용하여 나무의 리그닌을 수정하면 미생물 발효에 더 적합하게 만들어 화학 물질을 지속 가능하게 생산할 수 있다는 것을 발견했다.

이 획기적인 발견은 석유 기반 화학 물질의 필요성을 대체하여 경제적으로 실행 가능하고 환경적으로 무해한 더 녹색 대안을 제공할 수 있다.

 

나무에서 지속 가능한 화학 물질 생산

나무는 지구상에서 가장 풍부한 천연 자원 중 하나이며, 노스캐롤라이나 주립 대학의 과학자들은 나무를 전통적으로 석유로 만든 산업용 화학 물질을 생산하는 것에 대한 지속 가능하고 친환경적인 대안으로 사용하는 데 진전을 이루고 있다.

 

주요 과제는 나무를 튼튼하고 부패에 강하게 만드는 폴리머인 리그닌이다. 노스캐롤라이나 연구자들은 이제 리그닌을 다루기 어려운 이유를 발견했다. 그들은 특정 분자적 특징인 메톡시 함량을 식별했는데, 이는 미생물 발효가 나무와 다른 식물을 분해하여 산업용 화학 물질을 생산하는 데 얼마나 쉽게 영향을 미치는지 결정한다.

 

 

고급 미생물 발효 기술

이 발견은 석유에서 유래된 화학 물질에 대한 경제적, 환경적으로 지속 가능한 대안으로 나무에서 산업용 화학 물질을 만드는 데 한 걸음 더 다가갔다고, 이 발견을 자세히 설명하는 저널 Science Advances의 논문의 책임 저자인 로버트 켈리는 말했다.

 

켈리의 그룹은 이전에 옐로스톤 국립공원의 온천과 같은 곳에서 번성하는 극한의 호열성 박테리아가 나무의 셀룰로오스를 분해할 수 있다는 것을 증명했지만, "그다지 크지는 않다"고 그는 말했다. "다시 말해, 산업용 화학 물질을 생산하는 데 경제적, 환경적으로 타당한 수준은 아니다."

켈리가 설명했듯이, "리그닌이 낮은 것 이상의 것이 작용한다는 것이 밝혀졌다."

 

CRISPR을 이용한 유전적 증강

나무의 고리그닌 문제를 해결하기 위해 노스캐롤라이나 생명공학 프로그램 책임자이자 화학 및 생물 분자 공학과 알코아 교수인 켈리는 노스캐롤라이나 자연자원 대학의 산림 생명공학 프로그램 책임자인 잭 왕 부교수와 10년 이상 함께 일했다. 왕은 또한 노스캐롤라이나 식물 과학 이니셔티브의 교수이기도 하다.

 

2023년 저널 사이언스에 보고된 바와 같이, 왕과 그의 동료들은 CRISPR 게놈 편집 기술을 사용하여 리그닌 함량과 구성이 변형된 포플러 나무를 만들었다. 그들은 빠르게 자라고, 살충제를 최소한으로 사용해야 하며, 식량 작물을 재배하기 어려운 척박한 땅에서 자라기 때문에 포플러 나무에 집중했다.

 

미생물 선호도와 유전자 검사

켈리의 그룹은 이러한 CRISPR 편집 나무 중 일부는 미생물 분해와 발효에 잘 작동했지만 전부는 아니라는 것을 발견했다. 그의 전 박사 과정 학생인 라이언 빙이 설명했듯이, 이러한 박테리아는 다른 유형의 식물에 대해 다른 식욕을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.

 

"옐로스톤 국립공원과 같은 곳의 온천에서 발견되는 특정 호열성 박테리아의 능력을 이용하여 식물 물질을 먹고 관심 있는 제품으로 전환할 수 있다. 그러나 이러한 박테리아는 다른 유형의 식물에 대해 다양한 식욕을 가지고 있다." 현재 버지니아주 스털링에 있는 Capra Biosciences의 수석 대사 엔지니어로 일하는 빙의 말이다.

"그 질문은 왜였을까? 어떤 식물이 다른 식물보다 더 좋은 이유는 무엇일까?" 그는 설명했다. "우리는 이러한 박테리아가 다양한 구성의 식물 물질을 어떻게 먹는지 살펴보면서 이에 대한 답을 찾았다."

 

메톡시 함량의 핵심 역할

후속 연구에서 켈리와 빙은 러시아 캄추트카의 온천에서 원래 분리한 유전자 조작 박테리아인 아나에로셀룸 베스키(Anaerocellum bescii)가 리그닌 함량과 구성이 현저히 다른 왕의 조작된 포플러 나무를 얼마나 잘 분해하는지 테스트했다.

 

연구자들은 나무의 리그닌 메톡시 함량이 낮을수록 더 잘 분해된다는 것을 발견했다.

켈리는 "이로써 리그닌이 낮은 것만이 핵심이 아닌 이유에 대한 미스터리가 해결되었다. 악마는 세부 사항에 있었다."라고 말했다. "메톡시 함량이 낮으면 셀룰로오스가 박테리아에 더 쉽게 이용될 가능성이 높다."

 

상업적 생산에 대한 의미

왕은 제지 및 기타 섬유 제품에 더 적합하도록 리그닌 함량이 낮은 포플러를 만들었지만 최근 연구에 따르면 리그닌 함량뿐만 아니라 메톡시 함량도 낮은 조작된 포플러가 미생물 발효를 통해 화학 물질을 만드는 데 가장 좋다.

 

왕이 조작한 포플러는 온실에서 잘 자라지만, 아직 현장 시험 결과는 나오지 않았다. 켈리의 그룹은 이전에 리그닌 함량이 낮은 포플러 나무를 아세톤과 수소 가스와 같은 산업용 화학 물질로 전환할 수 있으며, 경제적 성과가 좋고 환경 영향도 낮다는 것을 보여주었다.

 

이 나무들이 현장에서 버틸 수 있고 "우리가 계속해서 노력한다면" 켈리는 "메톡시 함량이라는 마커를 알게 되었으므로 포플러 나무에서 대량의 화학 물질을 만들어내는 미생물을 갖게 될 것이다."라고 말했다.

 

미래 방향과 환경적 이점

이를 통해 왕과 같은 연구자들은 화학 물질 생산에 가장 적합한 포플러 품종을 생산하기 위한 구체적인 목표를 얻을 수 있다. 왕과 동료들은 최근 이 문제를 해결하기 위해 고급 리그닌 변형 포플러 나무의 현장 시험을 시작했다.

 

현재 나무에서 화학 물질을 만드는 것은 전통적인 방법으로 가능하다. 즉, 나무를 더 작은 조각으로 자른 다음 화학 물질과 효소를 사용하여 추가 처리를 위해 전처리한다.

켈리는 엔지니어링된 미생물을 사용하여 리그닌을 분해하면 에너지 요구량이 낮아지고 환경에 미치는 영향이 낮아지는 등의 이점이 있다고 말했다.

 

미생물의 이점과 산업적 잠재력

효소는 셀룰로스를 단당으로 분해하는 데 사용할 수 있지만, 이 과정에 효소를 지속적으로 첨가해야 한다. 반면 특정 미생물은 미생물 과정을 보다 경제적으로 만드는 핵심 효소를 지속적으로 생산한다고 그는 말했다.

 

켈리는 "또한 효소와 화학 물질보다 훨씬 더 잘할 수 있다."라고 덧붙였다. "셀룰로스를 분해할 뿐만 아니라 에탄올과 같은 제품으로 발효시킨다. 이 모든 것이 한 단계로 이루어진다.

그는 "이러한 박테리아가 자라는 고온은 오염을 피하기 위해 덜 호열성 미생물을 사용해야 하는 멸균 조건에서 작업할 필요성을 없애준다."라고 덧붙였다. "즉, 나무를 화학 물질로 바꾸는 과정은 기존의 산업 공정처럼 작동할 수 있어 채택 가능성이 더 높다."

 

생물 기반 솔루션을 통한 기후 변화 해결

Science Advances 논문의 또 다른 저자이자 왕 연구실의 박사후 연구원인 다니엘 술리스(Daniel Sulis)는 기후 변화로 인한 환경 재해가 화석 연료에 대한 의존도를 줄이는 방법을 찾는 연구를 수행해야 할 시급한 필요성을 강조한다고 말했다.

 

"유망한 솔루션 중 하나는 나무를 활용하여 화학 물질, 연료 및 기타 생물 기반 제품에 대한 사회의 요구를 충족하는 동시에 지구와 인간의 웰빙을 보호하는 것이다."라고 술리스는 덧붙였다.

"이러한 발견은 이 분야를 발전시킬 뿐만 아니라 지속 가능한 생물 기반 응용 분야에 나무를 사용하는 데 있어 추가 혁신을 위한 토대를 마련한다."