바이오인

  미생물-전극 간 전자 흐름의 재설계: 합성생물학과 바이오인터페이스 기술의 융합

◈ 목차

• 1.서론

• 2.합성생물학 기반 EET(외부 전자전달) 제어를 위한 유전자 회로 설계 전략

• 3.미생물-전극 인터페이스 엔지니어링

• 4.향후 과제와 연구개발 방향

 ◈본문

1. 서론

생물학적 에너지 생성 시스템, 특히 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC) 및 생물태양전지(Biophotovoltaic, BPV)와 같은 시스템의 성능을 결정짓는 핵심 요소는 생물체 내부의 환원력의 확보와 생물체 내 생성된 전자를 외부 전극으로 얼마나 효율적으로 전달할 수 있는가에 있다. 이에 따라, 환원력 제공자(donor)에 해당하는 생분자의 합성 유도와 미생물의 외부 전자전달(extracellular electron transfer, EET) 능력을 인위적으로 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 최근에는 합성생물학(synthetic biology)을 기반으로 한 유전자 회로 설계 전략이 주목받고 있다. 합성생물학은 생물학적 기능을 정밀하게 재설계할 수 있도록 해주는 기술로, 유전자 조절 회로(gene circuit), 대사경로 재설계, 단백질 공학 등 다양한 접근을 통해 미생물의 기능을 목적에 맞게 개질할 수 있다. 본 보고서에서는 합성생물학 기반의 유전자 회로 설계 전략을 중심으로, 외부전자전달 효율 향상을 위한 최신 연구 사례와 이를 뒷받침하는 미생물-전극 인터페이스 공학(bio-inorganicinterfaceengineering) 기술을 종합적으로 소개하고, 향후 과제 및 연구개발 방향을 제시하고자 한다.

2. 합성생물학 기반 EET(외부 전자전달) 제어를 위한 유전자 회로 설계 전략

생물체의 에너지 생성능 향상 및 다양한 활용을 위해 합성생물학 분야의 rational design 및 forward engineering 접근을 통해서 새로운 유전자 회로(gene circuit)를 구축하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 자연계의 생물학적 시스템은 생물체 내의 복잡한 대사 및 신호처리를 수행하고 있는데, 이러한 과정을 수행하는 유전자를 모방하거나 재구성함으로써, 개발 목적에 부합된 미생물을 개발할 수 있다. 이를 실현하기 위해서는 복잡한 유전자 회로를 정확히 예측하고 설계할 수 있는 기술적 기반과 상호 간섭 없이 조합 가능한 유전자 모듈이 확보되어야 한다.

미생물 연료전지나 미생물 기반 바이오센서의 전기 출력 밀도 및 감지도는 미생물 내에서 발생한 환원력이 외부로 얼마나 효율적으로 전달되느냐에 따라 결정된다. 최적화된 환원력 수송을 위하여 유전자 회로 공학(genecircuit engineering)을 활용하여 외부전자전달(extracellularelectrontransfer, EET)에 관여하는 핵심 단백질의 발현을 정밀하게 조절하거나, 전자전달 경로를 재구성하려는 시도가 활발히 진행되고 있다. 이러한 미생물 전지에 활용되는 대표적인 미생물에는 Shewanella oneidensis, Geobacter, Escherichia coli, Pseudomonas 등이 있다. 이 중 Shewanella oneidensis는 외부전자전달 경로가 잘 밝혀져 있고, 유전자 조작이 용이하며, 다양한 합성생물학 회로 설계가 가능하다는 점에서 EET 회로 설계 전략의 대표 모델 균주로 폭넓게 활용되고 있다.

가. 외부전자전달(EET) 단백질 복합체 발현 통제 기술

전기활성 미생물의 electrogenic property를 개선하기 위해 유전자 회로를 재조합하여 외부 전자전달 경로에 관여된 단백질의 발현을 통제하려는 시도가 활발히 이어져 왔다. 전기활성 미생물의 모델 균주로 널리 활용되는 S. oneidensis는 생물막에 내제된 multi-heme cytochrome이라는 단백질 복합체를 보유하고 있고 이를 통해 생물체 내부의 환원력을 외부로 전달하는 기능을 지니고 있다. S. oneidensis의 주요 EET 경로인 CymA/MtrCAB 시스템에 해당하는 유전자의 전사 및 번역 수준을 제어하기 위해 유도자(inducer)라고 불리는 특정 화학물질에 의해 통제되는 유도성 회로(inducible circuit)를 도입하는 연구가 수행된 바 있다. 이에 유도자의 유무 혹은 주입 농도에 따라 외부전자전달의 Turn on/off 제어가 가능하고 전자전달 속도의 제어와 예측이 가능함이 확인되었다. 또한 모듈형 회로 설계를 통해 유전자 카세트를 구성하는 promotor, repressor/activator, RBS의 다양한 조합을 통해 보다 섬세한 대사 및 EET 조절이 가능하고 더 나아가 전기 활성 미생물 개질을 위한 표준화된 genetic toolkit이 개발되어 왔다.

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