발견은 나무를 저렴하고 친환경적인 산업용 화학 물질로 바꾸는 데 도움이 될 수 있습니다.

나무는 지구 육지에서 가장 풍부한 천연자원이며, 노스캐롤라이나 주립대학교의 과학자와 엔지니어는 석유에서 산업용 화학물질을 생산하는 것에 대한 지속 가능하고 환경 친화적인 대안으로 나무를 활용하는 방법을 찾기 위해 노력하고 있습니다.

나무를 단단하게 만들고 분해에 저항하는 폴리머인 리그닌은 문제가 있는 것으로 입증되었습니다. 이제 NC State 연구원들은 그 이유를 알게 되었습니다. 그들은 리그닌의 특정 분자적 특성인 메톡시 함량을 식별했는데, 이는 미생물 발효를 사용하여 나무와 다른 식물을 산업용 화학 물질로 바꾸는 것이 얼마나 어렵거나 쉬운지를 결정합니다.

"이번 연구 결과를 통해 석유에서 추출한 화학물질을 대체할 경제적, 환경적으로 지속 가능한 산업용 화학물질을 나무에서 만드는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있게 되었습니다."라고 해당 연구 결과를 자세히 설명한 저널 Science Advances 에 논문을 게재한 책임 저자인 로버트 켈리가 말했습니다.

켈리의 그룹은 이전에 옐로스톤 국립공원의 온천과 같은 곳에서 번성하는 특정 극한 호열성 박테리아가 나무의 셀룰로스를 분해할 수 있다는 것을 증명했습니다. 하지만 그는 "그다지 크지는 않다"고 말했습니다. "다시 말해, 산업용 화학 물질을 생산하는 데 경제적, 환경적으로 타당한 수준은 아닙니다."

켈리가 설명했듯이, "리그닌 수치가 낮은 것 이상의 요인이 작용하는 것으로 밝혀졌습니다."

나무의 높은 리그닌 문제를 해결하기 위해 NC State 생명공학 프로그램 책임자이자 화학 및 생물 분자 공학과의 Alcoa 교수인 Kelly는 NC State 자연자원 대학의 산림 생명공학 프로그램 책임자인 Jack Wang 부교수와 10년 이상 함께 일해 왔습니다. Wang은 또한 NC 식물 과학 이니셔티브의 교수이기도 합니다.

2023년 Science 저널에 보고된 바와 같이, Wang과 그의 동료들은 CRISPR 게놈 편집 기술을 사용하여 변형된 리그닌 함량과 구성을 가진 포플러 나무를 만들었습니다. 그들은 포플러 나무에 집중했습니다. 왜냐하면 포플러 나무는 빠르게 자라고, 살충제를 최소한으로 사용해야 하며, 식량 작물을 재배하기 어려운 척박한 땅에서 자라기 때문입니다.

켈리의 그룹은 이러한 CRISPR 편집 나무 중 일부는 미생물 분해와 발효에 잘 작동했지만 전부는 아니라는 것을 발견했습니다. 그의 전 박사 과정 학생인 라이언 빙이 설명했듯이, 이러한 박테리아는 다른 유형의 식물에 대한 식욕이 다르다는 것이 밝혀졌습니다.

"옐로스톤 국립공원과 같은 곳의 온천에서 나오는 특정 호열성 박테리아의 능력을 이용해 식물 물질을 먹고 관심 있는 제품으로 전환할 수 있습니다. 하지만 이 박테리아는 다양한 유형의 식물에 대한 식욕이 다릅니다." 현재 버지니아주 스털링에 있는 Capra Biosciences의 수석 대사 엔지니어로 일하는 빙의 말입니다.

"문제는 왜였을까? 어떤 식물이 다른 식물보다 더 나은 이유는 무엇일까?" 그는 설명했다. "우리는 이 박테리아가 다양한 구성의 식물 물질을 어떻게 먹는지 살펴봄으로써 이에 대한 답을 찾았습니다."

후속 연구에서 켈리와 빙은 러시아 캄추트카의 온천에서 원래 분리한 유전자 조작 박테리아인 Anaerocellum bescii가 리그닌 함량과 구성이 현저히 다른 왕이 조작한 포플러 나무를 얼마나 잘 분해하는지 테스트했습니다.

연구자들은 나무의 리그닌 메톡시 함량이 낮을수록 분해되기 쉽다는 것을 발견했습니다.

"이것은 왜 리그닌이 낮은 것만이 열쇠가 아닌지에 대한 미스터리를 해결했습니다. 악마는 세부 사항에 있었습니다." 켈리가 말했습니다. "메톡시 함량이 낮으면 셀룰로오스가 박테리아에 더 쉽게 이용될 수 있습니다."

왕은 제지 및 기타 섬유 제품에 더 적합한 저리그닌 포플러를 개발했지만, 최근 연구에 따르면 리그닌 함량이 낮을 뿐만 아니라 메톡시 함량도 낮은 인공 포플러가 미생물 발효를 통해 화학 물질을 만드는 데 가장 적합하다는 것이 밝혀졌습니다.

왕의 공학적 포플러는 온실에서 잘 자라지만, 아직 현장 시험 결과는 나오지 않았습니다. 켈리의 그룹은 이전에 리그닌이 낮은 포플러 나무가 아세톤과 수소 가스와 같은 산업용 화학 물질로 전환될 수 있으며, 경제적 성과가 좋을 뿐만 아니라 환경적 영향도 낮다는 것을 보여주었습니다.

켈리는 "이 나무들이 현장에서 버틸 수 있고 우리가 계속해서 노력한다면" "메톡시 함량이라는 마커를 찾았으니 포플러 나무에서 대량의 화학 물질을 만들어내는 미생물을 갖게 될 것"이라고 말했습니다.

이것은 왕과 같은 연구자들에게 화학 생산에 가장 적합한 포플러 계통을 생산하기 위한 특정 목표를 제공합니다. 왕과 동료들은 최근 이 문제를 해결하기 위해 고급 리그닌 변형 포플러 나무의 현장 시험을 시작했습니다.

현재 나무에서 화학물질을 만드는 것은 전통적인 방법으로 가능합니다. 즉, 나무를 작은 조각으로 자른 후 화학물질과 효소를 이용하여 추가 가공을 위해 전처리하는 것입니다.

켈리는 조작된 미생물을 이용해 리그닌을 분해하면 에너지 요구량이 낮아지고 환경에 미치는 영향도 줄어드는 등의 장점이 있다고 말했습니다.

효소는 셀룰로스를 단순한 당으로 분해하는 데 사용될 수 있지만, 이 과정에 지속적으로 첨가되어야 합니다. 반면에 특정 미생물은 미생물 과정을 보다 경제적으로 만드는 핵심 효소를 지속적으로 생산한다고 그는 말했습니다.

"그들은 또한 효소와 화학물질보다 훨씬 더 나은 일을 할 수 있습니다." 켈리가 덧붙였습니다. "그들은 셀룰로스를 분해할 뿐만 아니라 에탄올과 같은 제품으로 발효시킵니다. 모두 한 단계로 이루어집니다.

"이 박테리아가 자라는 고온은 오염을 피하기 위해 덜 호열성 미생물을 사용하는 경우와 같이 무균 조건에서 작업할 필요성을 없애줍니다."라고 그는 덧붙였습니다. "이는 나무를 화학 물질로 바꾸는 과정이 기존의 산업 공정처럼 작동할 수 있어 채택 가능성이 더 높다는 것을 의미합니다."

Science Advances 논문 의 또 다른 저자이자 왕 연구실의 박사후 연구원인 다니엘 술리스는 기후 변화로 인한 환경 재해는 화석 연료에 대한 의존도를 줄이는 방법을 찾는 연구를 수행해야 할 시급한 필요성을 강조한다고 말했습니다.

"유망한 해결책 중 하나는 화학 물질, 연료 및 기타 생물 기반 제품에 대한 사회적 요구를 충족하고 지구와 인간의 웰빙을 보호하기 위해 나무를 활용하는 것입니다."라고 술리스는 덧붙였습니다.

"이러한 발견은 이 분야를 발전시킬 뿐만 아니라 지속 가능한 생물 기반 응용 프로그램을 위해 나무를 사용하는 데 있어 추가 혁신을 위한 토대를 마련합니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241018162557.htm