포름산염은 (전기)화학적 방법을 사용하여 CO2로부터 생산되고 효소 연쇄 반응이나 유전자 조작 미생물을 이용하여 부가가치 제품으로 전환될 수 있으므로 탄소 중립 바이오 경제의 핵심 요소로 볼 수 있습니다. 합성 포름산염의 활용을 확대하는 데 중요한 단계는 열역학적으로 복잡한 포름알데히드 환원 반응이며, 이 반응은 노란색 변화로 나타납니다. (사진 제공: 막스 플랑크 지상 미생물 연구소/가이젤)
막스 플랑크 연구소의 과학자들이 포름산을 이용하여 이산화탄소를 포름알데히드로 전환하는 합성 대사 경로를 개발했는데, 이는 탄소 중립적인 방식으로 유용한 물질을 생산하는 새로운 가능성을 제시합니다.
이산화탄소 고정을 위한 새로운 동화 경로가 대기 중 이산화탄소 농도를 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 의약품 및 활성 성분의 전통적인 화학 생산 방식을 탄소 중립적인 생물학적 공정으로 대체할 수 있습니다. 새로운 연구는 포름산을 이용하여 이산화탄소를 생화학 산업에 유용한 물질로 전환하는 공정을 제시합니다.
온실가스 배출량이 증가함에 따라 대규모 배출원으로부터 이산화탄소를 포집하는 탄소 격리는 시급한 과제입니다. 자연에서는 수백만 년 동안 이산화탄소 흡수가 이루어져 왔지만, 그 양은 인간 활동으로 인한 배출량을 상쇄하기에는 턱없이 부족합니다.
막스 플랑크 지상미생물학 연구소의 토비아스 에르브 연구팀은 자연에서 얻은 도구를 활용하여 이산화탄소를 고정하는 새로운 방법을 개발해 왔습니다. 그들은 최근 인공 광합성의 중간체로 사용될 수 있는 포름산으로부터 반응성이 매우 높은 포름알데히드를 생성하는 인공 대사 경로를 개발하는 데 성공했습니다. 포름알데히드는 독성 없이 여러 대사 경로에 직접 들어가 다른 유용한 물질로 변환될 수 있습니다. 자연적인 과정과 마찬가지로, 이 과정에도 에너지와 탄소라는 두 가지 주요 요소가 필요합니다. 에너지는 직사광선뿐만 아니라 태양광 모듈과 같은 전기를 통해서도 공급할 수 있습니다.
가치 사슬에서 탄소 공급원은 다양합니다. 이산화탄소만이 유일한 선택지는 아니며, 일산화탄소, 포름산, 포름알데히드, 메탄올, 메탄과 같은 모든 개별 탄소 화합물(C1 구성 요소)을 포함합니다. 그러나 이러한 물질들은 거의 모두 생물체(일산화탄소, 포름알데히드, 메탄올)와 지구(온실가스인 메탄) 모두에 매우 유독합니다. 포름산이 염기성 포름산염으로 중화된 후에야 많은 미생물이 고농도의 포름산을 견딜 수 있습니다.
"포름산은 매우 유망한 탄소 공급원입니다."라고 이번 연구의 제1 저자인 마렌 나터만은 강조합니다. "하지만 시험관 내에서 포름산을 포름알데히드로 전환하는 데는 막대한 에너지가 소모됩니다." 이는 포름산의 염인 포름산염이 포름알데히드로 쉽게 전환되지 않기 때문입니다. "이 두 분자 사이에는 심각한 화학적 장벽이 존재하며, 실제 반응을 진행하기 전에 생화학적 에너지인 ATP를 이용하여 이 장벽을 극복해야 합니다."
연구자들의 목표는 보다 경제적인 방법을 찾는 것이었습니다. 탄소를 대사 과정에 투입하는 데 필요한 에너지가 적을수록, 더 많은 에너지를 성장이나 생산을 촉진하는 데 사용할 수 있기 때문입니다. 하지만 자연에는 그런 방식이 존재하지 않습니다. 토비아스 에르브는 "다기능을 ​​가진 이른바 하이브리드 효소를 발견하는 데에는 상당한 창의력이 필요했습니다."라고 말합니다. "하지만 후보 효소를 발견하는 것은 시작에 불과합니다. 우리는 매우 느리게 진행되는 반응, 즉 효소 하나당 초당 한 번도 일어나지 않는 반응에 대해 이야기하고 있습니다. 자연적인 반응은 이보다 천 배나 빠르게 진행될 수 있습니다." 마렌 나터만은 바로 이 지점에서 합성 생화학이 중요한 역할을 한다고 말합니다. "효소의 구조와 메커니즘을 알면 어디에 개입해야 할지 알 수 있습니다. 이는 매우 큰 도움이 되었습니다."
효소 최적화에는 특수 구성 요소 교환, 무작위 돌연변이 생성, 용량 선택 등 여러 가지 접근 방식이 포함됩니다. 마렌은 "포름산염과 포름알데히드는 모두 세포벽을 투과할 수 있기 때문에 매우 적합합니다. 세포 배양 배지에 포름산염을 첨가하면 몇 시간 후 생성된 포름알데히드를 무독성 노란색 염료로 전환하는 효소가 생성됩니다."라고 나터만은 설명했습니다.
이처럼 짧은 시간 안에 결과를 얻을 수 있었던 것은 고처리량 분석법을 활용했기 때문입니다. 이를 위해 연구진은 독일 에슬링겐에 있는 산업 파트너인 페스토(Festo)와 협력했습니다. 마렌 나터만(Maren Nattermann)은 "약 4,000번의 변형 실험을 거쳐 수율을 네 배로 늘렸습니다."라고 말하며, "이로써 생명공학의 핵심 미생물인 대장균(E. coli)을 포름산에서 배양할 수 있는 기반을 마련했습니다. 하지만 현재로서는 우리 세포는 포름알데히드만 생산할 수 있고, 더 이상의 변환은 불가능합니다."라고 덧붙였습니다.
막스 플랑크 연구소의 세바스티안 윙크 연구원과 공동으로, 연구팀은 중간 생성물을 흡수하여 중심 대사 과정에 도입할 수 있는 균주를 개발하고 있습니다. 동시에, 발터 라이트너 교수가 이끄는 막스 플랑크 화학 에너지 변환 연구소 연구팀과 함께 이산화탄소를 포름산으로 전기화학적으로 전환하는 연구를 진행하고 있습니다. 장기적인 목표는 전기생화학적 공정을 통해 생산된 이산화탄소로부터 인슐린이나 바이오디젤과 같은 다양한 제품을 생산할 수 있는 "만능 플랫폼"을 개발하는 것입니다.
참고 문헌: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu, “Development of a new cascade for the conversion of phosphate-dependent formate to formaldehyde in vitro and in vivo”, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, and Tobias J. Erb, 2023년 5월 9일, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
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