바이오인

출처 : 지능형 바이오시스템 설계및합성 연구단

미생물을 이용한 화학물질 생산 연구동향

한양대학교 김동립 교수

1. 개요
최근 환경오염의 주체이면서 점점 고갈되어가는 화석연료를 대체 할 수 있는 대체 에너지, 친환경 에너지원에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있고 사회적 관심도 집중되어 있다. 그 가운데 화석연료의 대안으로서 MFC(Microbial Fuel Cell), MES(Microbial Electrosynthesis)와 같은 미생물을 이용한 전기 또는 화학물질 생산에 대한 연구가 주목받고 있다. 특히 2010년 미국 Massachusetts 대학의 Lovley 교수 연구팀이 진행한 연구에서 미생물 전기생합성(Microbal Electrosynthesis)라는 용어를 ‘미생물을 이용하여 전극에서 전자를 공급받아 이산화탄소를 탄소화합물로 전환하는 것’으로 정의하고부터 미생물 전기생합성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

2. 구조체 향상을 통한 미생물 전기생합성 향상
미생물 전기생합성에 있어 지지체 구조에 따라 지지체에 부착되는 미생물의 수가 달라지고 지지체의 전기전도도에 따라 미생물에 공급되는 전하량이 달라져 화합물의 생산량, 미생물의 생존성에 중요한 영향을 미친다. 따라서 최근의 연구들은 삼차원 전극의 비표면적 향상을 통한 미생물 부착밀도 향상, 전극의 전도성 향상을 통한 미생물로의 전자 공급 증대에 초점을 맞추고 있다.

3. 전기생합성용 미생물 Engineering 연구
앞서 언급된 미생물 지지체 향상 연구 외 중요한 요소인 화학물질을 생산하는 미생물의 Engineering을 통한 전기생합성 향상에 대한 연구도 활발히 진행되어왔다. 최근의 연구 동향은 여러 고부가가치 화합물을 생산하는 기본 단위로 볼 수 있는 Acetate에서 나아가 이를 이용하여 고부가가치 화합물을 생산할 수 있는 미생물을 개발하는 것에 집중되어 있다. 다른 한편으로는 미생물 전기생합성의 근본적인 메커니즘에 대한 연구도 수행되고 있다.
2014년 미국 Massachusetts 대학 연구팀은 Clostridium ljungdahlii 박테리아를 Tuning하여 고부가가치 화합물의 일종인 butyrate를 생산하는데 성공하였다. 일반적인 Clostridium ljungdahlii 박테리아는 butyrate의 생산하는 능력이 없는데 그들은 Clostridium ljungdahlii의 유전자를 조정하여 대사경로를 변경시켜 butyrate를 생산할 수 있도록 Engineering하였다.

4. 미생물 전기생합성을 위한 환경 조성
미생물 전기생합성을 위한 미생물, 지지체의 성능 뿐 아니라 반응 환경을 최적화하여 전기생합성 효율을 향상시키는 연구도 병행되고 있다.
2013년 미국 California 대학의 연구팀은 미생물 전기생합성 환경을 조성할 때 양극에는 sporomusa ovata, 음극에는 Desulfobulbus군의 박테리아를 부착시켜 음극에서 Surfide가 산화되어 생성되는 전자를 이용하여 양극에서 Acetate 생산량을 최적화하는 연구를 진행하였다. 이 연구에서 양극에만 s. ovata 박테리아를 부착시켰을 경우에는 음극의 Surfide의 산화가 완전히 일어나지 않아 Acetate생산량이 24.8mmol/day·m2 의 수준이 유지되었다. 반면에 음극에 Desulfobulbus군의 박테리아를 부착하였을 때 surfide의 산화가 완전히 이뤄지면서(surfide → sulfur → sulfate) 전자 공급이 증가하여 Acetate 생산량이 49.9mmol/day·m2까지 두 배 가량 증가하는 것을 확인하였다.

5. 고찰
미생물 전기생합성은 화석연료 대체, 친환경 에너지 개발이라는 궁극적 목표아래 활발히 연구되어 왔다. 그러나 현재까지 보고된 성능은 상용화되기에는 많이 부족한 실정이다. 상용화를 목표로 하기 위해서는 이를 위한 미생물 engineering 뿐만 아니라 지지체 및 반응 환경 등이 골고루 개발되고 최적화되어야 할 것으로 판단된다. 최근의 연구들은 나노기술의 비약적인 발전과 함께 이를 미생물 전기생합성 시스템에 접목하여 괄목할만한 성과를 내고 있다. 이런 추세라면 화석 연료를 대체할 날도 멀지 않았을 것으로 기대된다.

참고문헌
1. K. P. Nevin, T. L. Woodard, A. E. Franks, Z. M. Summers, D. R. Lovley, “Microbial Electrosynthesis: Feeding Microbes Electricity To Convert Carbon Dioxide and Water to Multicarbon Extracellular Organic Compounds”, mBio, 1, (2010) 00103-10.
2. Y. C. Yong, Y. Y. Yu, X. Zhang, H. Song, “Highly Active Bidirectional Electron Transfer by a Self-Assembled Electroactive Reduced-Graphene-Oxide-Hybridized Biofilm”, Angewandte Chemie International Edition, 53 (2014) 4480-4483.
3. L. Jourdin, S. Freguia, B. C. Donose, J. Chen, G. G. Wallace, J. Keller, V. Flexer, “A novel carbon nanotube modified scaffold as an efficient biocathode material for improved microbial electrosynthesis”, Journal of Materials Chemistry A, 2 (2014) 13093-13102.
4. K. K. Sakimoto, C. Liu, J. W. Lim, P. Yang, “Salt-Induced Self-Assembly of Bacteria on Nanowire Arrays”, Nano Letters, 14 (2014) 5471-5476.
5. T. Ueki, K. P. Nevin, T. L. Woodard, D. R. Lovley, “Converting Carbon Dioxide to Butyrate with an Engineered Strain of Clostridium ljungdahlii”, mBio, 5 (2014) 01636-14.
6. J. S. Deutzmann, M. Sahin, A. M. Spormann, “Extracellular Enzymes Facilitate Electron Uptake in Biocorrosion and Bioelectrosynthesis”, mBio, 6 (2015) 00496-15.
7. Y. Gong, A. Ebrahim, A. M. Feist, M. Embree, T. Zhang, D. R. Lovley, K. Zengler, “Sulfide-Driven Microbial Electrosynthesis”, Environmental Science & Technology, 47 (2013) 568-573.
8. X. Zhu, M. Siegert, M. D. Yates, B. E. Logan, “Alamethicin Suppresses Methanogenesis and Promotes Acetogenesis in Bioelectrochemical Systems”, Applied Environmental Microbiology, 81 (2015) 3863-3868.
9. C. Liu, J. J. Gallagher, K. K. Sakimoto, E. M. Nichols, C. J. Chang, M. C. Y. Chang, P. Yang, “Nanowire?Bacteria Hybrids for Unassisted Solar Carbon Dioxide Fixation to Value-Added Chemicals”, Nano Letters, 15 (2015) 3634-3639.

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