친환경에너지 바이오부탄올 생산효소 구조·특성 규명

경제적 바이오부탄올 생산시스템 구축에 응용

국내 연구진이 바이오에탄올보다 효율이 높아 차세대 친환경에너지로 주목받는 바이오부탄올 생산에서 핵심적인 역할을 하는 효소의 구조와 특성을 밝혀냈다.

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽 교수와 경북대 생명과학부 김경진 교수팀은 22일 바이오부탄올을 만드는 미생물 클로로스트리듐에서 바이오부탄올 생합성에 핵심 역할을 하는 효소 ‘싸이올레이즈'(Thiolase)의 3차원 입체구조를 규명했다고 밝혔다.

한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이 연구 결과는 이 날짜 ‘네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications)에 게재됐다.

바이오부탄올 생산 효소 싸이올레이즈(thiolase)의 구조 및 산화-환원 스위치 작용 메커니즘. (그림 왼쪽)전자회로의 스위치가 작동해 회로의 열림과 닫힘을 조절하듯이 바이오부탄올 생산에 관여하는 효소 싸이올레이즈(thiolase. 그림 오른쪽)에도 산화-환원 스위치가 있으며, 이는 바이오부탄올 생합성 과정에서 대사흐름을 조절하는 역할을 한다. ⓒ 한국과학기술원

바이오부탄올 생산 효소 싸이올레이즈(thiolase)의 구조 및 산화-환원 스위치 작용 메커니즘. (그림 왼쪽)전자회로의 스위치가 작동해 회로의 열림과 닫힘을 조절하듯이 바이오부탄올 생산에 관여하는 효소 싸이올레이즈(thiolase. 그림 오른쪽)에도 산화-환원 스위치가 있으며, 이는 바이오부탄올 생합성 과정에서 대사흐름을 조절하는 역할을 한다. ⓒ 한국과학기술원

탄소 4개로 이루어진 알코올인 바이오부탄올은 에너지밀도가 리터당 29.2MJ(메가줄)로 이미 바이오연료로 사용되는 바이오에탄올(19.6MJ)보다 훨씬 높고 휘발유(32MJ)와도 큰 차이가 없어 현재 자동차 등에 사용되는 가솔린 엔진을 그대로 사용할 수 있다.

또 생산재료도 폐목재, 볏짚, 사탕수수 부산물, 해조류 등 비식용 바이오매스로 식량 파동에서 자유로워 생산효율만 향상되면 바이오연료로 크게 주목받을 것으로 기대를 모으고 있다.

그러나 바이오부탄올을 생산하는 클로스트리듐의 주요 효소 구조나 작동 메커니즘 등은 아직 체계적으로 연구되지 않아 생산효율 향상에는 어려움이 있는 상태다.

연구진은 이 연구에서 바이오부탄올 생합성에 필요한 효소 중 하나인 싸이올레이즈의 3차원 입체구조를 포항방사광가속기를 이용해 밝혀내고 이 효소에만 있는 산화-환원 스위치 구조도 발견했다.

싸이올레이즈는 클로스트리듐 내에서 탄소 2개짜리를 결합시켜 부탄올을 구성하는 탄소 4개짜리 화합물을 완성하는 단계에 관여하는 중요한 효소이다.

연구진은 또 가상세포모델 등을 활용한 시스템대사공학 기법으로 이 싸이올레이즈가 실제 미생물 내에서 산화-환원 스위치로 작동한다는 것을 증명했으며, 싸이올레이즈 구조를 활용해 활성을 개선한 돌연변이 효소를 설계하고 미생물 대사회로를 조작해 바이오부탄올 생합성이 향상되는 결과를 얻었다.

이상엽 교수는 “바이오부탄올 생합성 대사회로에서 가장 중요한 효소의 구조와 작용 메커니즘을 처음으로 밝혀냈다”며 “싸이올레이즈 관련 원천기술을 실제 미생물 등을 활용, 바이오부탄올을 더욱 경제적으로 생산할 수 있는 대사회로를 구축할 계획”이라고 말했다.

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