Electro-fermentation을 통한 생물화학공정 개발 가능성과 연구
2019-09-30
org.kosen.entty.User@48c2db0
김창만(cmkim0408)
Electro-fermentation을 통한 생물화학공정 개발 가능성과 연구
김창만, KimChangman@lbl.gov
Lawrence Berkeley National Laboratory, Biological Systems & Engineering
Key words
바이오 리파이너리, 생물전기화학시스템, 미생물-전극 전자 전달, 생물화학공정, 미생물공정, Biorefinery, Bioelectrochemical system, Microbe-electrode interaction, Biochemical process, Microbial process
1. 배경
전 지구적인 급격한 산업 발전 및 도시화로 인해 에너지와 자원에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있고, 이는 화석 연료 기반 산업의 팽창과 맞물려있다. 하지만 무분별한 화석 연료의 사용은 석유자원 고갈 문제와 더불어 기후 변화 및 심각한 환경 오염을 유발하고 있기에, 이를 대체할 수 있는, 친환경, 재생가능한 에너지 및 자원의 개발이 요구되고 있다. 태양광을 비롯한 풍력, 수력 등의 많은 신재생에너지 기술의 개발로 인해 화석연료기반 에너지 생산은 점차 이를 극복해나가고 있는 반면, 석유화학 생산물(고분자 플라스틱, 의약품 등)의 대체 기술은 상대적으로 많이 부족한 실정이다. 바이오리파이너리(biorefinery)는 생물화학공정을 활용하여 기존의 화석연료 기반의 물질을 생산, 대체하는 공정으로, 생물기반의 원료(목질계 셀룰로오스 등)을 고부가가치 화학물질로 전환하는 기술을 의미한다. 특히 미생물을 촉매로 하는 생물공정은 촉매인 미생물을 증식시킬 수 있으며, 또 다른 생촉매인 효소에 비해 상대적으로 안정적이라 그 가능성이 매우 높다.
미생물 화학 공정은 석유화학공정에 비해 친환경적인 공정, 무한히 재생가능한 생촉매 사용, 경제적인 반응기 운전 비용과 같은 여러 장점을 갖고 있음에도 불구하고, 생물 촉매 그 자체가 가지는 한계점 때문에 아직 많은 연구가 필요한 실정이다. 최근 유전자 가위 기술 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR) 기술과 같은 유전공학, 대사공학, 합성생물학 등의 생물공학 기술의 발전으로 인해 재조합 미생물의 합성 등이 용이해졌으며, 이에 미생물 촉매의 촉매 활성을 높은 수준으로 증가시킨 사례가 여러 논문 등에서 보고되고 있다. 그럼에도 불구하고, 대부분의 경우에서 아직 화학촉매공정의 생산성에 미치지 못하고 있다. 특히 생물화학 반응의 열역학적 한계를 극복할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 본 보고서에서는 미생물-전극 사이의 반응을 이용한 생물화학반응의 열역학적 한계를 극복할 수 있는, Electro-fermentation 기술에 대해 기술할 예정이다.
2. 주요 내용
2.1. 생물화학반응의 열역학적 의미
화학 촉매에 비해 미생물 촉매는 자가 복제를 통한 재생이 가능하며, 여러 효소를 통한 대사 경로를 가지고 있어 한번에 여러 반응을 촉매할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 모든 반응이 미생물 내부에서 일어나기 때문에 각각의 반응을 조절하기 매우 어렵다는 단점이 있다. 특히 이는 기질과 생산물 간의 열역학적 차이를 극복하기 어렵다는 것을 의미한다.
열역학적 관점에서 생물 전환 반응은 크게 이화반응(catabolism)과 동화반응(anabolism)으로 나눌 수 있다. 이화반응의 경우, 기질이 가지고 있는 열역학적 준위가 생산물보다 높아 기질의 대사과정에서 에너지가 방출되는 형태의 반응을 의미한다. 반면 동화반응의 경우, 기질의 에너지 준위가 상대적으로 생산물보다 낮아 추가적인 에너지가 요구되는 반응을 의미한다. 일반적으로 이화반응에서 발생하는 에너지는 미생물 세포 내 NADH 혹은 NADPH의 형태로 저장된 후, 전자전달계 기반 호흡과정을 통해 세포가 에너지로 활용하기 좋은 형태인 ATP로 전환이 된다. 반면 동화반응의 경우, 다른 반응 등을 통해 세포 내 저장된 NADH 등을 이용하여 진행된다. 이 두 반응 모두 열역학적인 장벽인 활성화에너지(kinetic barrier)와 열역학적 에너지차이(thermodynamic difference)를 극복해야만 발생한다. 활성화에너지 장벽의 경우, 합성생물학 및 유전공학적 기법을 통한 효소의 과발현 혹은 효소의 개량을 이용하여 그 차이를 극복해나가고 있다. 반면, 열역학적 에너지차이의 경우, 미생물 내부의 산화·환원 반응을 유도하여 이를 극복한다.
미생물의 산화·환원 조절은 크게 세가지 방법을 이용하여 이루어진다. 가장 많이 사용하는 방법으로는 산소를 이용하여 전자전달계 및 호흡과정을 조절하는 방법이다. 호기성 미생물의 경우, 전자전달계를 이용하여 이화반응의 결과로 축적된 세포 내 NADH의 전자를 산소로 전달하여 세포 내 산화반응을 유발함과 동시에 ATP를 합성한다. 이는 산화반응의 결과물이 물만 생성되는 이상적인 반응임과 동시에 세포의 주 에너지 저장원인 ATP를 가장 많이 합성할 수 있는 방법이기에 매우 효율적이다. 하지만 이 방법은 대체로 이화반응에서만 유효하고, 혐기성 미생물 혹은 효소에는 적합하지 않으며, 산소 공급은 반응기 운전 비용의 증가를 야기하는 문제를 가지고 있다. 다른 방법으로는 다른 발효반응을 유도함으로써 전체 에너지 준위의 밸런스를 맞추는 방법이 활용되고 있다. 예를 들면, 이화반응의 결과물로써 생성물과 세포 내 NADH/NAD 농도의 증가가 발생한다면, 동시에 동화반응을 활성화시킴으로써 세포 내 NADH/NAD 농도를 낮춰줌으로써 세포의 산화·환원 밸런스를 맞추는 방법이다. 이는 혐기성 미생물에서도 충분히 적용가능하나, 전체 생산 수율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 추가적인 분리 공정을 요구하여 비효율적인 방법이다. 다른 방법으로는 세포에 직·간접적으로 전자를 전달하는 방법을 통해 세포 내 산화·환원 준위를 조절하여 열역학적 차이를 극복하는 방법이다. 자연계에 많이 존재하는 금속·황 산화/환원 미생물의 경우, 세포 외부의 금속이나 황 및 이들의 산화/환원물을 통해 세포 내 전자를 방출하거나 흡수하는 기작을 갖고 있다. 이러한 전자의 전달은 세포 내 산화·환원 준위를 변화시키므로 이를 활용하여 기질과 생성물의 열역학적 차이를 극복할 수 있다. 특히 금속이나 황과 같은 물질 대신, 전극을 활용할 경우 부산물의 생성없이 반영구적으로 활용가능하다는 장점을 갖고 있다. 또한 전극을 활용하는 경우, 적극적으로 전자의 방향과 양을 조절할 수 있어 기존의 산화·환원 준위 조절 방법에서 할 수 없었던 active control이 가능해진다.
2.2. 미생물-전극 간의 전자전달
미생물과 전극 사이의 전자 이동에 대한 현상은 1910년에 M.C. Potter에 의해 처음 보고된 이래 많은 연구자들에 의해서 전자 전달 미생물 및 그들의 메커니즘이 보고되고 있다 [1]. 대부분의 미생물이 전극으로 전자를 전달할 수 있는 능력을 갖고는 있지만, 그 활성이 매우 적다. 하지만 극히 일부의 미생물의 경우, 매우 높은 전극 활성을 보이고 있고 이들을 exoelectrogen이라고 부르기도 한다. 가장 대표적으로 Shewanella와 Geobacter 속의 미생물들이 높은 전극 활성을 가지고 있는 것으로 알려져 있으며, 이들의 전자 전달 메커니즘은 다음과 같이 알려져 있다 [2-6].
먼저 기질의 산화 등에서 발생한 세포 내 NADH가 전자 전달계의 첫번째 효소인 NADH dehydrogenase에 전자를 전달하면, 이 전자를 세포 내 Quinon pool에 전달하게 된다. 그리고 이는 다시 cytochrome에 전달되거나 periplasmic 효소로 전달되어 (Shewanella의 경우 CymA, Geobacter의 경우 MacA) 세포 외막으로 전자를 전달하는 단백질 (Shewanella의 경우 FccA, Geobacter의 경우 PpcA) 로 전자를 전달하게 된다. 이러한 전자 전달은 세포 외막의 전자 전달 효소 복합체인 mtr (Shewanella) 혹은 omc (Geobacter) system을 통해 전극으로 직접 전자가 전달된다. 전자 흡수에 관한 메커니즘에 대해선 아직 정확히 보고된 바는 없지만, 전반적으론 비슷한 경로를 통해서 전달될 것이라 추측되고 있고, 구체적인 효소에 대해선 미생물에 따라 다른 것으로 알려지고 있다.
2.3. 전자 이동에 따른 미생물 생리 변화
미생물 전극 사이의 전자 전달의 영향이 미생물 대사에 어떠한 영향을 끼치는지에 대한 다각도의 연구들이 여러 연구자들에 의해 수행되었다. 먼저 미생물 내부의 산화·환원 준위의 분석을 하는 방법으로 크게 두 가지 연구가 보고되었다. ORP (oxidation-reduction potential)은 미생물을 비롯한 배지 전반의 산화·환원 정도를 나타내는 분석으로써, 2010년에 Watson & Logan에 의해 Shewanella oneidensis MR-1이 전극으로 전자를 전달함에 따라 전체 산화·환원 준위가 감소함을 보고하였다 [7]. 또 다른 방법으로 미생물 내의 NADH/NAD+ 비율의 분석은 전극을 통한 전자 전달이 미생물 내부의 NADH 농도가 낮아짐을 증명해 보였다[8, 9]. 특히 실시간 분석을 위해 NADH sensor의 과발현을 통해 fluorescence 분석으로 NADH/NAD+ 비율의 감소를 증명하였다[10, 11].
이러한 산화·환원 준위의 변화는 미생물의 생리 변화를 유발할 것이라 예상되고, 구체적인 변화 양상에 대해서 여러 연구들에서 보고되었다. 특히 일반적인 상태에 비해, 미생물-전극 간의 전자 이동에 의해 발생되는 미생물 내의 산화·환원 준위의 변화는 미생물의 항상성 유지 전략에 따라 대사 경로의 변화를 유발하고, 이는 전사 단계에서의 조절부터 발생한다. 미생물로부터 전극으로 전자가 전달되는 경우, 일종의 혐기성 호흡 (anaerobic respiration)과 같은 메커니즘이 작동하게 되고, 이는 세포 내 respiration과 관련된 효소들, 전자전달계(electron transport chain)과 시트르산 회로(citric acid cycle)의 발현을 유발하는 것으로 연구되었다. 또한 이러한 현상은 탄소 동위원소 분석을 통해서도 밝혀졌다[12]. 그리고 대사 경로효소의 전자 조절에 따른 결과로써, 탄소 및 에너지 대사 전체가 변화한 것을 metabolic flux balance analysis를 통해서 분석하였다. 2016년에 산업적으로 활용되고 있는 Klebsiella pneumoniae에서 glucose 대사 경로가 전자 전달에 따라 변화함이 MFA를 통해 증명되었으며, 2018년에는 glycerol 대사 경로가 변화하였음을 MFA 분석과 transcription 분석을 통해 증명되었다[13, 14].
2.4. Electro-fermentation
지금까지 보고된 미생물을 이용한 유용화학 전구 물질 생산 연구, electro-fermentation은 아래 표 1에 나타내었다. 크게 미생물로부터 전극으로 전자를 전달하는 anodic electro-fermentation과 전극으로부터 미생물로 전자를 전달하는 cathodic electro-fermentation으로 나누어 분류할 수 있다. Anodic electro-fermentation의 경우, 미생물의 잉여 전자를 전극으로 전달하는 과정으로 높은 에너지 준위를 가진 기질의 산화 과정에서 발생하는 대사산물을 생산물로 하는 발효과정이다. 따라서 Glucose나 glycerol과 같은 기질을 사용하는 경우가 많다. 반면 cathodic electro-fermentation의 경우, 낮은 에너지 준위의 기질을 통해 높은 에너지 준위의 대사 산물을 생산하는 발효과정이다. 따라서 대부분의 cathodic electro-fermentation 연구에서는 가장 낮은 상태의 탄소원인 이산화탄소를 기질로 이 환원 과정에서 발생하는 대사산물을 생산물로 한다.
표1. Electro-fermentation 연구
Electro-fermentation의 개념이 가장 처음 등장한 건, 2009년 Rabeay 등에 의해서 전극-미생물 간의 전자 전달을 이용한 유용화학물질 생산의 개념으로 처음 등장했으며 [27], 2010년 Flynn 등에 의해 재조합 Shewanella oneidensis MR-1을 이용하여 lactate로부터 ethanol을 만드는데 성공한 것을 시작으로 anodic electro-fermentation 연구가 시작되었다 [15]. 독일의 KIT의 Gescher 교수 연구팀은 화학전구물질로써 여러 합성에 사용될 수 있는 acetoin의 생산 연구를 미생물-전극 간의 전자 전달을 통해 열역학적 균형을 맞추는 방법으로 생산 효율을 증가시키고자 했고, 2017에 각각 Shewanella oneidensis MR-1과 E. coli를 균주로 활용하여 생산을 가능하게 만들었다 [16, 17]. 3-hydroxypropionic acid는 아크릴을 비롯한 다양한 고분자 물질의 합성에 활용되는 고부가가치 물질로써, 화학적으로 합성하기가 어렵다는 단점이 있다. 생물학적으로 glycerol로부터 쉽게 합성이 가능하나, 혐기성을 유지한 상태에서 세포 내의 산화·환원 준위를 낮추는 반응이 필요하다. 2017년 본 연구자의 논문에서 전극을 이용한 혐기성 호흡을 유도하여 3-hydroxypropionic acid의 생산 효율을 약 1.8배 증가시키는데 성공하였다[19]. 또한 Lai 등이 2016년 P. putida를 이용해 69% 증가된 pHBA를 생산하였음을 보고하였다[18].
Cathodic electro-fermentation연구는 대부분 CO2를 탄소원으로 사용하는 autotroph을 이용한 발효 공정연구로, 대부분 acetogen을 활용하여 연구가 수행되었다. 가장 대표적으로 Clostridium과 Sporomusa 속의 미생물을 활용하여 CO2로부터 유기산을 생산하는 연구들이 보고되었다. 또한 acetogen의 heterotrophic 대사를 이용해 glycerol로부터 butanol이나 1,3-propanediol, glucose로부터 butyrate, sucrose로부터 propionate 등을 생산할 수 있음이 보고되었다 [20-22]. 대부분 Heterotroph을 사용하는 anodic electro-fermentation과 달리, autotroph 중 acetogen을 주로 사용하는 cathodic electro-fermentation은 유전공학적 접근이 어려워 wild type 미생물의 수준에서 생산 연구가 수행되고 있고, 주로 아세트산을 대상 생산물로 연구가 진행되고 있다 [23, 24, 26].
3. 결론
바이오리파이너리 연구는 생물공정을 활용한 친환경, 재생가능한 자원의 생산 공정으로 미래 자원 연구에 핵심적이라 할 수 있다. 하지만 기존의 생물공정이 화학촉매 공정이 비해 생산성이 떨어져, 이를 극복하는 연구가 필수적이다. Electro-fermentation은 미생물-전극 사이의 전자 전달을 통한 생물공정의 한계점이었던 열역학적 차이를 극복할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 현재 Electro-fermentation 연구는 1단계인 미생물-전극 간 전자 전달 메커니즘, 2단계인 전자 전달에 따른 미생물의 생리변화를 지나 3단계인 미생물-전극 전자 전달을 통한 생산 수율 변화 증명 단계에 도달했다. 앞으로 4단계인 기술 개발 단계에서 유전공학 및 대사공학 기술을 통한 Electro-fermentation에 적합한 재조합 미생물의 개발, 그리고 대량 생산을 위한 생물 반응기 개발 등을 통해 바이오 리파이너리 공정에 적용될 것이라 예상된다.
References
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김창만, KimChangman@lbl.gov
Lawrence Berkeley National Laboratory, Biological Systems & Engineering
Key words
바이오 리파이너리, 생물전기화학시스템, 미생물-전극 전자 전달, 생물화학공정, 미생물공정, Biorefinery, Bioelectrochemical system, Microbe-electrode interaction, Biochemical process, Microbial process
1. 배경
전 지구적인 급격한 산업 발전 및 도시화로 인해 에너지와 자원에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있고, 이는 화석 연료 기반 산업의 팽창과 맞물려있다. 하지만 무분별한 화석 연료의 사용은 석유자원 고갈 문제와 더불어 기후 변화 및 심각한 환경 오염을 유발하고 있기에, 이를 대체할 수 있는, 친환경, 재생가능한 에너지 및 자원의 개발이 요구되고 있다. 태양광을 비롯한 풍력, 수력 등의 많은 신재생에너지 기술의 개발로 인해 화석연료기반 에너지 생산은 점차 이를 극복해나가고 있는 반면, 석유화학 생산물(고분자 플라스틱, 의약품 등)의 대체 기술은 상대적으로 많이 부족한 실정이다. 바이오리파이너리(biorefinery)는 생물화학공정을 활용하여 기존의 화석연료 기반의 물질을 생산, 대체하는 공정으로, 생물기반의 원료(목질계 셀룰로오스 등)을 고부가가치 화학물질로 전환하는 기술을 의미한다. 특히 미생물을 촉매로 하는 생물공정은 촉매인 미생물을 증식시킬 수 있으며, 또 다른 생촉매인 효소에 비해 상대적으로 안정적이라 그 가능성이 매우 높다.
미생물 화학 공정은 석유화학공정에 비해 친환경적인 공정, 무한히 재생가능한 생촉매 사용, 경제적인 반응기 운전 비용과 같은 여러 장점을 갖고 있음에도 불구하고, 생물 촉매 그 자체가 가지는 한계점 때문에 아직 많은 연구가 필요한 실정이다. 최근 유전자 가위 기술 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR) 기술과 같은 유전공학, 대사공학, 합성생물학 등의 생물공학 기술의 발전으로 인해 재조합 미생물의 합성 등이 용이해졌으며, 이에 미생물 촉매의 촉매 활성을 높은 수준으로 증가시킨 사례가 여러 논문 등에서 보고되고 있다. 그럼에도 불구하고, 대부분의 경우에서 아직 화학촉매공정의 생산성에 미치지 못하고 있다. 특히 생물화학 반응의 열역학적 한계를 극복할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 본 보고서에서는 미생물-전극 사이의 반응을 이용한 생물화학반응의 열역학적 한계를 극복할 수 있는, Electro-fermentation 기술에 대해 기술할 예정이다.
2. 주요 내용
2.1. 생물화학반응의 열역학적 의미
화학 촉매에 비해 미생물 촉매는 자가 복제를 통한 재생이 가능하며, 여러 효소를 통한 대사 경로를 가지고 있어 한번에 여러 반응을 촉매할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 모든 반응이 미생물 내부에서 일어나기 때문에 각각의 반응을 조절하기 매우 어렵다는 단점이 있다. 특히 이는 기질과 생산물 간의 열역학적 차이를 극복하기 어렵다는 것을 의미한다.
열역학적 관점에서 생물 전환 반응은 크게 이화반응(catabolism)과 동화반응(anabolism)으로 나눌 수 있다. 이화반응의 경우, 기질이 가지고 있는 열역학적 준위가 생산물보다 높아 기질의 대사과정에서 에너지가 방출되는 형태의 반응을 의미한다. 반면 동화반응의 경우, 기질의 에너지 준위가 상대적으로 생산물보다 낮아 추가적인 에너지가 요구되는 반응을 의미한다. 일반적으로 이화반응에서 발생하는 에너지는 미생물 세포 내 NADH 혹은 NADPH의 형태로 저장된 후, 전자전달계 기반 호흡과정을 통해 세포가 에너지로 활용하기 좋은 형태인 ATP로 전환이 된다. 반면 동화반응의 경우, 다른 반응 등을 통해 세포 내 저장된 NADH 등을 이용하여 진행된다. 이 두 반응 모두 열역학적인 장벽인 활성화에너지(kinetic barrier)와 열역학적 에너지차이(thermodynamic difference)를 극복해야만 발생한다. 활성화에너지 장벽의 경우, 합성생물학 및 유전공학적 기법을 통한 효소의 과발현 혹은 효소의 개량을 이용하여 그 차이를 극복해나가고 있다. 반면, 열역학적 에너지차이의 경우, 미생물 내부의 산화·환원 반응을 유도하여 이를 극복한다.
미생물의 산화·환원 조절은 크게 세가지 방법을 이용하여 이루어진다. 가장 많이 사용하는 방법으로는 산소를 이용하여 전자전달계 및 호흡과정을 조절하는 방법이다. 호기성 미생물의 경우, 전자전달계를 이용하여 이화반응의 결과로 축적된 세포 내 NADH의 전자를 산소로 전달하여 세포 내 산화반응을 유발함과 동시에 ATP를 합성한다. 이는 산화반응의 결과물이 물만 생성되는 이상적인 반응임과 동시에 세포의 주 에너지 저장원인 ATP를 가장 많이 합성할 수 있는 방법이기에 매우 효율적이다. 하지만 이 방법은 대체로 이화반응에서만 유효하고, 혐기성 미생물 혹은 효소에는 적합하지 않으며, 산소 공급은 반응기 운전 비용의 증가를 야기하는 문제를 가지고 있다. 다른 방법으로는 다른 발효반응을 유도함으로써 전체 에너지 준위의 밸런스를 맞추는 방법이 활용되고 있다. 예를 들면, 이화반응의 결과물로써 생성물과 세포 내 NADH/NAD 농도의 증가가 발생한다면, 동시에 동화반응을 활성화시킴으로써 세포 내 NADH/NAD 농도를 낮춰줌으로써 세포의 산화·환원 밸런스를 맞추는 방법이다. 이는 혐기성 미생물에서도 충분히 적용가능하나, 전체 생산 수율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 추가적인 분리 공정을 요구하여 비효율적인 방법이다. 다른 방법으로는 세포에 직·간접적으로 전자를 전달하는 방법을 통해 세포 내 산화·환원 준위를 조절하여 열역학적 차이를 극복하는 방법이다. 자연계에 많이 존재하는 금속·황 산화/환원 미생물의 경우, 세포 외부의 금속이나 황 및 이들의 산화/환원물을 통해 세포 내 전자를 방출하거나 흡수하는 기작을 갖고 있다. 이러한 전자의 전달은 세포 내 산화·환원 준위를 변화시키므로 이를 활용하여 기질과 생성물의 열역학적 차이를 극복할 수 있다. 특히 금속이나 황과 같은 물질 대신, 전극을 활용할 경우 부산물의 생성없이 반영구적으로 활용가능하다는 장점을 갖고 있다. 또한 전극을 활용하는 경우, 적극적으로 전자의 방향과 양을 조절할 수 있어 기존의 산화·환원 준위 조절 방법에서 할 수 없었던 active control이 가능해진다.
2.2. 미생물-전극 간의 전자전달
미생물과 전극 사이의 전자 이동에 대한 현상은 1910년에 M.C. Potter에 의해 처음 보고된 이래 많은 연구자들에 의해서 전자 전달 미생물 및 그들의 메커니즘이 보고되고 있다 [1]. 대부분의 미생물이 전극으로 전자를 전달할 수 있는 능력을 갖고는 있지만, 그 활성이 매우 적다. 하지만 극히 일부의 미생물의 경우, 매우 높은 전극 활성을 보이고 있고 이들을 exoelectrogen이라고 부르기도 한다. 가장 대표적으로 Shewanella와 Geobacter 속의 미생물들이 높은 전극 활성을 가지고 있는 것으로 알려져 있으며, 이들의 전자 전달 메커니즘은 다음과 같이 알려져 있다 [2-6].
먼저 기질의 산화 등에서 발생한 세포 내 NADH가 전자 전달계의 첫번째 효소인 NADH dehydrogenase에 전자를 전달하면, 이 전자를 세포 내 Quinon pool에 전달하게 된다. 그리고 이는 다시 cytochrome에 전달되거나 periplasmic 효소로 전달되어 (Shewanella의 경우 CymA, Geobacter의 경우 MacA) 세포 외막으로 전자를 전달하는 단백질 (Shewanella의 경우 FccA, Geobacter의 경우 PpcA) 로 전자를 전달하게 된다. 이러한 전자 전달은 세포 외막의 전자 전달 효소 복합체인 mtr (Shewanella) 혹은 omc (Geobacter) system을 통해 전극으로 직접 전자가 전달된다. 전자 흡수에 관한 메커니즘에 대해선 아직 정확히 보고된 바는 없지만, 전반적으론 비슷한 경로를 통해서 전달될 것이라 추측되고 있고, 구체적인 효소에 대해선 미생물에 따라 다른 것으로 알려지고 있다.
2.3. 전자 이동에 따른 미생물 생리 변화
미생물 전극 사이의 전자 전달의 영향이 미생물 대사에 어떠한 영향을 끼치는지에 대한 다각도의 연구들이 여러 연구자들에 의해 수행되었다. 먼저 미생물 내부의 산화·환원 준위의 분석을 하는 방법으로 크게 두 가지 연구가 보고되었다. ORP (oxidation-reduction potential)은 미생물을 비롯한 배지 전반의 산화·환원 정도를 나타내는 분석으로써, 2010년에 Watson & Logan에 의해 Shewanella oneidensis MR-1이 전극으로 전자를 전달함에 따라 전체 산화·환원 준위가 감소함을 보고하였다 [7]. 또 다른 방법으로 미생물 내의 NADH/NAD+ 비율의 분석은 전극을 통한 전자 전달이 미생물 내부의 NADH 농도가 낮아짐을 증명해 보였다[8, 9]. 특히 실시간 분석을 위해 NADH sensor의 과발현을 통해 fluorescence 분석으로 NADH/NAD+ 비율의 감소를 증명하였다[10, 11].
이러한 산화·환원 준위의 변화는 미생물의 생리 변화를 유발할 것이라 예상되고, 구체적인 변화 양상에 대해서 여러 연구들에서 보고되었다. 특히 일반적인 상태에 비해, 미생물-전극 간의 전자 이동에 의해 발생되는 미생물 내의 산화·환원 준위의 변화는 미생물의 항상성 유지 전략에 따라 대사 경로의 변화를 유발하고, 이는 전사 단계에서의 조절부터 발생한다. 미생물로부터 전극으로 전자가 전달되는 경우, 일종의 혐기성 호흡 (anaerobic respiration)과 같은 메커니즘이 작동하게 되고, 이는 세포 내 respiration과 관련된 효소들, 전자전달계(electron transport chain)과 시트르산 회로(citric acid cycle)의 발현을 유발하는 것으로 연구되었다. 또한 이러한 현상은 탄소 동위원소 분석을 통해서도 밝혀졌다[12]. 그리고 대사 경로효소의 전자 조절에 따른 결과로써, 탄소 및 에너지 대사 전체가 변화한 것을 metabolic flux balance analysis를 통해서 분석하였다. 2016년에 산업적으로 활용되고 있는 Klebsiella pneumoniae에서 glucose 대사 경로가 전자 전달에 따라 변화함이 MFA를 통해 증명되었으며, 2018년에는 glycerol 대사 경로가 변화하였음을 MFA 분석과 transcription 분석을 통해 증명되었다[13, 14].
2.4. Electro-fermentation
지금까지 보고된 미생물을 이용한 유용화학 전구 물질 생산 연구, electro-fermentation은 아래 표 1에 나타내었다. 크게 미생물로부터 전극으로 전자를 전달하는 anodic electro-fermentation과 전극으로부터 미생물로 전자를 전달하는 cathodic electro-fermentation으로 나누어 분류할 수 있다. Anodic electro-fermentation의 경우, 미생물의 잉여 전자를 전극으로 전달하는 과정으로 높은 에너지 준위를 가진 기질의 산화 과정에서 발생하는 대사산물을 생산물로 하는 발효과정이다. 따라서 Glucose나 glycerol과 같은 기질을 사용하는 경우가 많다. 반면 cathodic electro-fermentation의 경우, 낮은 에너지 준위의 기질을 통해 높은 에너지 준위의 대사 산물을 생산하는 발효과정이다. 따라서 대부분의 cathodic electro-fermentation 연구에서는 가장 낮은 상태의 탄소원인 이산화탄소를 기질로 이 환원 과정에서 발생하는 대사산물을 생산물로 한다.
표1. Electro-fermentation 연구
| Strains | Products | Yield | Refs |
| Anodic | |||
| Shewanella oneidensis MR-1 | Ethanol | 0.52 | [15] |
| E. coli | Acetoin | 0.53 | [16] |
| Shewanella oneidensis MR-1 | Acetoin | 0.52 | [17] |
| Pseudomonas putida F1 | 2-ketogluconate | 0.90 | [18] |
| Klebsiella pneumoniae L17 | 3-hydroxypropionate | 0.50 | [19] |
| Cathodic | |||
| Clostridium pasteurianum DMS 525 | Butanol | 0.30 | [20] |
| 1,3-propanediol | 0.34 | ||
| Clostridium tyrobutyricum BAS 7 | Butyrate | 0.54 | [21] |
| Propionibacterium acidi-propionici | Propionate | 1.00 | [22] |
| Sporomusa ovata | Acetate | 0.86 | [23] |
| Sporomusa sphaeroides | Acetate | 0.84 | [24] |
| Sporomusa silvacetica | Acetate | 0.48 | |
| Clostridium ljungdahlii | Acetate | 0.72 | |
| Clostridium aceticum | Acetate | 0.27 | |
| Moorella thermoacetica | Acetate | 0.85 | |
| Sporomusa ovata | Acetate | 0.82 | [25] |
| Clostridium ljungdahlii | Acetate | 0.52 | [26] |
Electro-fermentation의 개념이 가장 처음 등장한 건, 2009년 Rabeay 등에 의해서 전극-미생물 간의 전자 전달을 이용한 유용화학물질 생산의 개념으로 처음 등장했으며 [27], 2010년 Flynn 등에 의해 재조합 Shewanella oneidensis MR-1을 이용하여 lactate로부터 ethanol을 만드는데 성공한 것을 시작으로 anodic electro-fermentation 연구가 시작되었다 [15]. 독일의 KIT의 Gescher 교수 연구팀은 화학전구물질로써 여러 합성에 사용될 수 있는 acetoin의 생산 연구를 미생물-전극 간의 전자 전달을 통해 열역학적 균형을 맞추는 방법으로 생산 효율을 증가시키고자 했고, 2017에 각각 Shewanella oneidensis MR-1과 E. coli를 균주로 활용하여 생산을 가능하게 만들었다 [16, 17]. 3-hydroxypropionic acid는 아크릴을 비롯한 다양한 고분자 물질의 합성에 활용되는 고부가가치 물질로써, 화학적으로 합성하기가 어렵다는 단점이 있다. 생물학적으로 glycerol로부터 쉽게 합성이 가능하나, 혐기성을 유지한 상태에서 세포 내의 산화·환원 준위를 낮추는 반응이 필요하다. 2017년 본 연구자의 논문에서 전극을 이용한 혐기성 호흡을 유도하여 3-hydroxypropionic acid의 생산 효율을 약 1.8배 증가시키는데 성공하였다[19]. 또한 Lai 등이 2016년 P. putida를 이용해 69% 증가된 pHBA를 생산하였음을 보고하였다[18].
Cathodic electro-fermentation연구는 대부분 CO2를 탄소원으로 사용하는 autotroph을 이용한 발효 공정연구로, 대부분 acetogen을 활용하여 연구가 수행되었다. 가장 대표적으로 Clostridium과 Sporomusa 속의 미생물을 활용하여 CO2로부터 유기산을 생산하는 연구들이 보고되었다. 또한 acetogen의 heterotrophic 대사를 이용해 glycerol로부터 butanol이나 1,3-propanediol, glucose로부터 butyrate, sucrose로부터 propionate 등을 생산할 수 있음이 보고되었다 [20-22]. 대부분 Heterotroph을 사용하는 anodic electro-fermentation과 달리, autotroph 중 acetogen을 주로 사용하는 cathodic electro-fermentation은 유전공학적 접근이 어려워 wild type 미생물의 수준에서 생산 연구가 수행되고 있고, 주로 아세트산을 대상 생산물로 연구가 진행되고 있다 [23, 24, 26].
3. 결론
바이오리파이너리 연구는 생물공정을 활용한 친환경, 재생가능한 자원의 생산 공정으로 미래 자원 연구에 핵심적이라 할 수 있다. 하지만 기존의 생물공정이 화학촉매 공정이 비해 생산성이 떨어져, 이를 극복하는 연구가 필수적이다. Electro-fermentation은 미생물-전극 사이의 전자 전달을 통한 생물공정의 한계점이었던 열역학적 차이를 극복할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 현재 Electro-fermentation 연구는 1단계인 미생물-전극 간 전자 전달 메커니즘, 2단계인 전자 전달에 따른 미생물의 생리변화를 지나 3단계인 미생물-전극 전자 전달을 통한 생산 수율 변화 증명 단계에 도달했다. 앞으로 4단계인 기술 개발 단계에서 유전공학 및 대사공학 기술을 통한 Electro-fermentation에 적합한 재조합 미생물의 개발, 그리고 대량 생산을 위한 생물 반응기 개발 등을 통해 바이오 리파이너리 공정에 적용될 것이라 예상된다.
References
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