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2019년 12월 3일 화요일

실험실 진화를 통해 이산화탄소를 고정하는 박테리아를 만들다



(This diagram shows how researchers converted a common laboratory sugar eating (heterotrophic) E. coli bacterium (left) to produce all of its biomass from CO2 (autotrophic) by metabolic engineering combined with laboratory evolution. The new bacterium (center) uses the compound formate as a form of chemical energy to drive CO2 fixation by a synthetic metabolic pathway. The bacterium may provide the infrastructure for future industrial renewable production of food and green fuels (right). Credit: Gleizer et al.)


 대장균 (E. coli)는 매우 흔한 박테리아로 다양한 생물 실험이나 생물학적 물질 생산에 사용되고 있습니다. 기본적으로 박테리아는 플라스미드를 통해 유전자를 주고 받을 수 있습니다. 따라서 이를 통해 유용한 물질을 생산할 수 있는 대장균을 유전 공학적으로 만들 수 있지만, 생물학자들은 또 다른 방법을 알고 있습니다. 바로 대장균의 빠른 분열 속도를 이용해 실험실에서 인위적으로 진화시키는 것입니다. 


 이스라엘 와이즈만 연구소의 시스템 생물학자인 론 밀로 (Ron Milo, at systems biologist at the Weizmann Institute of Science)가 이끄는 연구팀은 당(sugar)를 에너지원으로 살아가는 평범한 종속영양 (heterotroph, 다른 생물이 만든 유기물에서 영양분을 섭취하는 것) 대장균을 인위적으로 실험실에서 진화시켜 이산화탄소와 포름산을 이용해 유기물을 생산하는 자가 영양 생물 (autotroph)로 바꿨습니다. 


 연구팀은 대장균이 증식하는데 필요한 최소한의 자일로스 (xylose) 성분과 풍부한 포름산을 주고 10%의 고농도 이산화탄소 환경에 노출시켰습니다. 이 환경에서 대장균은 포름산과 이산화탄소를 영양분으로 사용할 강력한 진화압을 받게 됩니다. 본래 포름산과 이산화탄소를 사용하는 대사 과정은 대장균에서 마이너 과정이었으나 300일이 지난 후에는 주요 대사과정으로 변했습니다. 연구팀은 이 결과를 저널 Cell에 발표했습니다. 


 포름산은 전기화학적 방법으로 무생물적으로 생산이 가능하며 이산화탄소는 대기 중에 풍부합니다. 이 두 물질을 이용해 다양한 유기물과 연료와 비슷한 화학 물질을 생산할 수 있다면 여러 가지 산업 분야에 원료를 제공할 수 있습니다. 하지만 아직 두 가지 문제가 있습니다. 이 대장균들이 탄소를 고정하기는 하지만, 사실 포름산 대사 과정에서 더 많은 이산화탄소를 내놓습니다. 이 이산화탄소는 다시 원료로 사용할 수 있지만, 가능하면 대사 과정에서 이산화탄소를 최종적으로 흡수하는 방식으로 만들 필요가 있습니다. 그리고 이보다 더 중요한 문제는 전체 과정이 경제적이고 대량 생산이 가능해야 한다는 것입니다. 


 앞으로 연구팀은 이 문제를 극복하기 위한 후속 연구를 진행할 계획입니다. 과연 대장균을 통해 기존의 석유 화학 제품을 대체할 수 있는 생물학적 공정을 만들 수 있을지 결과가 궁금합니다. 


 참고 


Cell, Gleizer et al.: "Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2" https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31230-9 , DOI: 10.1016/j.cell.2019.11.009



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