미생물의 이산화탄소 고정 경로 및 이를 이용한 바이오연료 생산 연구
2019-10-06
org.kosen.entty.User@4dcb1bcd
김창만(cmkim0408)
1. 배경
21세기 과학 기술 키워드 중 절대 빠지지 않는 하나의 키워드는 지구 온난화 혹은 기후 변화이다. 산업 혁명과 2차 세계 대전 이후, 전 지구적인 산업화는 지하에 저장되어 있던 탄소원인 석탄, 석유, 천연 가스 등의 화석 연료의 급격한 사용을 불러왔다. 이는 대기의 이산화탄소 및 메탄의 농도를 높이는 결과물을 만들었고, 온실효과 (greenhouse effect)에 따른 지구 전체 기온의 상승을 유발하였다. 지난 50년간 대기 중의 이산화탄소 농도는 20%가 상승했고, 탄소 고정에 대한 중요성이 제기되고 있다[1]. 대기 중의 탄소는 일반적으로 화학적/생물학적인 탄소고정으로 인해 저장된다. 화학적 고정 반응의 경우, 해수 속의 칼슘 등의 이온과 반응해 지하에 저장된다. 생물학적 이산화탄소의 고정은 태양광을 이용한 광합성 생물 (photo-autotroph)와 광물 등에서 에너지를 얻어서 탄소를 고정하는 화학독립영양생물 (chemolitho-autotroph)에 의해 발생된다.
바이오리파이너리 (biorefinery)는 기존의 화석 연료 기반의 연료 및 물질을 생물화학공정으로 대체하는 공정을 의미하며, 현재 셀룰로오스 등의 다양한 저렴한 기질을 활용해 고부가가치의 물질을 생산하는 공정이 많이 개발되고 있다. 하지만 이는 결과적으로 기존의 화석연료 기반의 공정과 유사한 전체 반응을 가지는, 즉 대기 중으로 이산화탄소 등의 탄소를 방출하는 공정으로써 화석 연료 기반의 공정을 이상적으로 대체하기 힘들다. 따라서 최근에는 이산화탄소를 탄소원으로 사용하는 독립영양생물 (autotroph)을 생촉매로 하는 생물화학공정이 주목 받고 있다[2, 3]. 이 중 미생물을 기질로 활용하는 공정은 효소나 식물 등을 생촉매로 하는 공정에 비해 다양한 장점을 가지고 있다. 첫째, 효소를 사용하는 것이 비해 하나의 반응기에서 여러 화학반응을 동시에 수행할 수 있다. 둘째, 미생물은 자가 복제를 통해 증식하므로 반영구적으로 활용이 가능하다. 또한 식물에 비해 생장속도가 월등히 빠르므로 대상 산물의 생산 속도가 월등히 빠르다. 그리고 생물 다양성이 커 다양한 대사에서 다양한 물질의 생산이 가능하다.
생물에 의한 탄소 고정 대사는 지금까지 6가지 탄소 고정 회로가 존재하는 것으로 알려져 있다. 각각의 경로는 대상 생물의 환경에 따라 그에 맞게 진화해왔으며, 생물화학공학적인 관점에서 이는 다양한 물질의 생산에 대한 가능성을 보여주고 있다. 본 리보트에서는 각각의 탄소 고정 대사에 대해 정리하고, 이를 수행하는 미생물의 특징 등에 대해서 정리하고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 미생물의 이산화탄소 고정 경로 발견의 역사
가장 먼저 발견된 이산화탄소 고정 경로는 Calvin Benson Bassham cycle (CBB)로 알려진 reductive pentose phosphate pathway로 1954년에 Bassham 등에 의해 보고되었으며, 가장 대표적인 탄소 고정 회로이다[4]. 이는 주로 산소를 기반으로 광합성을 통해 생장하는 식물이나 미생물 등에서 발견되며, 일부 혐기성 미생물에서도 발견된다. 다음으로 발견된 탄소 고정 경로는 Clostridium thermoaceticum에서 14C 실험을 통해 발견된 경로로써, 기존의 CBB 경로와 다른 중간체를 통해 탄소가 고정된다는 것이 1965년에 Ljungdahl과 Wood에 의해 보고 되면서 알려졌다[5]. 이는 Reductive acetyl-CoA 혹은 Wood-ljungdahl 경로로 불리고 있다. 20년 동안의 연구 끝에 이 경로의 효소들에 대해서 연구한 결과 흥미롭게도 carbon monoxide dehydrogenase가 관여하는 것으로 알려졌으며, 혐기성 아세트산 생성균과 메탄 생성균에서 생장 및 에너지 대사를 위해 존재하는 것으로 보고되고 있다[6]. 다음으로 알려진 탄소 고정 경로는 Reductive TCA 경로로써, 1966년에 Evans 등에 의해 보고되었지만[7], 1990년대에 와서야 널리 알려진 경로이다. Chlorobium thiosulfatophilum 과 프로테오박테리아 중 Aquifex인 Hydrogenobacter와 Crenarchaeota 등에서 발견되고 있다.
1989년, Holo 등은 네번째 탄소 고정 경로가 3-hydroxypropionate를 중간체로 하는 경로로써 존재할 수 있을 가능성에 대해서 보고하였고, 이후의 연구들에 의해 이 회로가 cyclic 회로로써 존재함이 증명되었다[7, 8]. 처음으로 발견된 3-hydroxypropionate 경로는 Chlroflexus aurantiacus에서 발견된 3-hydroxypropionate/malyl-CoA cycle (3-HP/Mal-CoA cycle) 이며, Chloroflexus 종에서 나타난다. 2007년 Berg 등에 의해 다섯번째 탄소 고정 경로가 발견되었는데, 이는 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle (3-HP/4-HB cycle)으로써 Metallophaera sedula와 Sulfolobus acidianus에서 발견되었다[9]. 이는 Archaeoglobus와 Cenarchaeum 종으로써 새로운 3-hydroxypropionate 기반의 탄소 고정 회로를 가지는 것으로 밝혀졌다. 2008년에 또 다른 Archaeum종인 Ignicoccus hospitalis는 acetyl-CoA에서 succinyl-CoA로 가는, Reductive TCA 경로와는 다른 7개의 효소 반응에 의한 경로를 밝혀내었다[10].
2.2. 이산화탄소 고정 경로
2.2.1. Calvin-Benson cycle
Calvin-Benson cycle은 육상 생태계를 비롯한 표영생태계에 가장 널리 분포하는 탄소 고정 회로로써, 육상 식물이나 식물성 플랑크톤 등의 광합성 독립 영양생물과 일부의 혐기성 화학독립영양세균에서 나타난다[11]. Calvin-benson cycle이라고도 불리며 혹은 Reductive pentose phosphate pathway라고도 불리는데, 이는 이 경로가 Pentose phosphate의 반대 방향의 반응을 통해 이산화탄소를 고정하기 때문이다. 전체 반응식을 살펴보면, 3분자의 이산화탄소가 하나의 glyceraldehyde-3-phosphate (G-3-P)를 합성하며, 하나의 G-3-P가 합성될 때 필요한 전체 반응은 11개의 반응이다. 전체 반응에서 필요한 에너지는 3분자의 이산화탄소가 하나의 G-3-P가 될 때, 총 5분자의 NAD(P)H와 7분자의 ATP가 소모가 된다. 광합성의 광량으로 보았을 때, 한 cycle에 필요한 quantum은 13.9개가 필요하다[11, 12].
2.2.2. Reductive acetyl-CoA pathway
Reductive acetyl-CoA 경로는 Wood-ljungdahl pathway라고도 불리며, CO2의 reduction을 통해 acetyl-CoA를 생산하는 반응이다. 혐기성 아세트산 생성 미생물 (acetogen)과 메탄 생성 미생물 (methanogen)에서 주로 발견된다[11]. 다른 경로들과는 다르게 cycle이 아닌 linear의 대사 경로를 가지고 있다. 또한 중간체의 carboxylation를 통해 이산화탄소를 고정하는 것과는 달리, 이산화탄소를 Formate나 CO로 환원시킨 이후, 이를 고정하는 반응을 수행하는 것으로 보고되고 있다. 이는 효소의 관점에서 혹은 생물물리학적으로 상대적으로 매우 효율적인 탄소 고정 반응으로 보여진다. 다만, reduction 반응의 핵심인 ferredoxin 및 연관 효소가 산소에 매우 민감하여, 대부분의 미생물에서 미량의 산소만으로도 세포의 생장이 멈추거나 사멸하는 현상을 보인다. 전체 반응은 12개의 반응으로 구성되어 있으며, 3분자의 이산화탄소를 통해 1분자의 pyruvate를 합성할 수 있고, 이때 필요한 에너지는 2분자의 환원된 ferredoxin과 3분자의 NAD(P)H, 1분자의 ATP가 소모가 된다. ATP의 측면에서 가장 효율적인 반응이라 볼 수 있으나, 혐기성 미생물에서만 일어나는 반응이라 전자 전달계를 통한 ATP 합성이 불가능하다는 단점을 갖고 있다[11, 12].
2.2.3 Reductive TCA cycle
Reductive TCA cycle은 TCA cycle의 역반응을 통해 이산화탄소를 고정하는 회로로써, 대부분 Aquifex에서 발견이 되는데, 일부 효소가 산소에 의해 저해되는 반응으로 보통은 혐기성 상태에서 회로가 작동한다[11]. 하지만, Aquifex는 초고온성 미생물로써 고온에서는 산소에 용해도가 떨어져 높은 저농도의 산소 조건에서는 효소의 inhibition을 유의미한 수준으로 발생하지 않는다. 특히 Hydrogenobacter thermophilus TK-6의 경우, 대기 수준의 산소 농도에서도 충분히 잘 성장하는 것으로 보고되었다[13]. 전체 반응은 3분자의 이산화탄소가 하나의 pyruvate가 되는 반응이며, 총 2분자의 환원된 ferredoxin과 3분자의 NAD(P)H가 소모가 되며, ATP는 2분자가 소모가 된다. 다른 반응들에 비해 ATP 소모가 적은 반응이라 에너지적으로 효율적인 반응이라 할 수 있으며, 일부 미생물은 전자 전달계를 활용할 수 있어 ATP 합성에서 효율적이라 할 수 있다. 일부의 광합성 미생물에서도 나타나는데, quantum의 양으로 계산하였을 때 11.0의 quantum이 필요한 것으로 알려지고 있고, 이는 다른 광합성 회로인 Calvin-benson cycle이나 3-HP/Malyl-CoA cycle보다 적은 quantum 요구량임을 알 수 있다[11, 12].
2.2.4. 3-HP/Malyl-CoA cycle
3-HP/Malyl-CoA 경로는 green non-sulphur 미생물인 Chloroflexus aurantiacus 등의 Chloroflexi 종에서 주로 발견되는 경로이다[11]. 주로 광합성과 연관되어 반응이 진행되며, 다른 광합성 탄소 고정 회로인 Calvin-benson cycle, reductive TCA cycle에 비해 높은 광량인 15.3 quantum이 필요한 것으로 보고되고 있다. 전체 반응은 3분자의 HCO3- 를 통해 1분자의 Pyruvate를 생산하며, 총 6분자의 NAD(P)H가 소모가 되며 7분자의 ATP가 사용된다. 또한 1분자의 ubiquinone을 통해 탄소 고정 반응과 동시에 전자 2개를 방출하게 된다[11, 12].
2.2.5. 3-HP/4-HB cycle
3-HP/4-HB cycle은 호기성 고세균인 Thaumarchaerota와 호기성 고온성 고세균인 Sulfolobales 종에서 발달된 것으로 알 수 있다[11]. 전체 반응은 3분자의 HCO3-를 소모하여 1분자의 pyruvate를 생산하게 되며 총 7분자의 NAD(P)H와 9분자의 ATP를 소모하는 반응이다. 또한 동시에 1분자의 ubiquinone과 1분자의 NAD를 환원시키는 반응으로, ATP의 관점에서 가장 소모가 많은 반응이다[11, 12].
2.2.6. DC/4-HB cycle
DC/4-HB 경로는 혐기성 혹은 microaerobic 상태의 고온성 고세균에서 주로 발견이 되며, Desulfurococcales와 Thermoproteales 종에서 잘 발달되어 있는 것으로 알려져 있다[11]. 특이하게 이 반응은 2분자의 CO2와 1분자의 HCO3-를 고정시키는 반응이다. 전체 반응은 환원된 ferredoxin 2분자 (또는 3분자), NAD(P)H 3분자 (또는 2분자)의 에너지는 소모하게 되며, 5분자의 ATP를 소모하는 것으로 알려져있다[11, 12].
2.3. 이산화탄소 고정의 생물공학적 활용가능성 및 전망
독립영양미생물 (autotrophic bacteria)의 이산화탄소 고정 경로를 이용한 연료 및 유용화학물질의 생산은 크게 에너지원에 따라 생물공학적 활용가능성이 나뉜다. 빛을 이용한 광합성 미생물을 사용하는 경우, 대부분 Calvin-Benson cycle을 탄소 고정 회로로 가지기 때문에 이를 이용하여 생산에 활용한다. Calvin-Benson cycle을 가지는 미생물의 경우, 다른 독립영양미생물에 비해 산소를 이용할 수 있는 미생물이 많고, 지속적으로 빛이 공급될 경우 빠른 생장속도를 보인다. 또한 여러 연구를 통해 genetic tool box가 개발되어 있는 경우가 많아 합성생물학 기법 등을 활용한 합성 경로의 여러 화학물질 생산에 활용되고 있다. 그리고 빠른 이산화탄소 고정 속도 덕분에 높은 탄소수의 fatty acid 등이 생산이 가능해 바이오연료의 생산에도 활용된다. 하지만 광반응기 자체가 에너지의 관점에서 비효율적인 단점 때문에 이를 극복하고자 하는 연구가 많이 보고되고 있다.
다른 탄소원, 포도당 등을 에너지원으로 사용하는 경우에는 독립영양미생물보다는 복합영양미생물 (mixotroph)을 활용하여 생산이 수행되며, 보다 효율적으로 에너지를 전달할 수 있다는 장점이 있다. 반면 이산화탄소의 고정 측면에서는 carbon catabolic repression 등을 비롯하여 효율이 떨어지는 단점이 있고, 종속영양미생물 (heterotroph) 대비 장점이 많지 않아, 많이 시도되지 않고 있다.
대안으로 수소나 금속 이온 등을 통해 에너지 전달을 유도하는 경우, 상대적으로 높은 에너지 전달 효율이 있으므로 최근 많이 연구되고 있다. 이러한 전자 전달의 경우, 다양한 미생물을 이용하여 생산에 활용할 수 있어, 이는 자연적으로 발전한 생산 경로를 이용하여 여러 화학물질을 생산하는데 활용되고 있다. 특히 최근의 신재생에너지 기술의 급격한 발전으로 인해 전기 자체를 이용하여 전자를 전달하는 electrosynthesis 기술의 경우, 이산화탄소를 유기산이나 알코올로 전환하는 연구가 많이 시도되고 있다.
3. 결론
지구 온난화에 따른 온실효과에 대한 우려로, 여러 화학 공정은 이산화탄소를 배출하지 않는 탄소 제로 공정 개발을 목표로 연구가 수행되고 있다. 탄소 제로를 뛰어넘어서 탄소 마이너스 공정, 즉 대기 중의 이산화탄소를 탄소원으로 하는 공정 개발은 기후 변화에 대응할 수 있는 기술로써 주목받고 있다. 생물학적으로 탄소를 고정할 수 있는 대사 경로는 크게 6가지로, Calvin-Benson cycle, Reductive acetyl-CoA pathway, Reductive TCA cycle, 3-hydroxypropionate/Malyl-CoA cycle, 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle, Dicarboxylate/4-hydroxybutyrate cycle이 현재까지 자연계에 존재한다고 밝혀졌다. 이들은 각각의 미생물이 존재하던 환경에 맞게 진화되어 왔으며, 이는 여러 경로를 활용하여 다양한 화학물질을 생산할 수 있는 가능성을 보여주고 있다. 최근 생명공학 기술의 급격한 발전으로 인해 이산화탄소 고정 미생물을 활용하여 기존의 화석연료기반의 화학 물질 생산을 대체할 수 있는 가능성이 더 높아졌으며, 가까운 미래에 실제 상용화에 근접할 공정들이 개발될 것이라 예상된다.
References
1. Keeling, C. and T. Whorf, Atmospheric CO2 records from sites in the SIO air sampling network. 2005. Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy, Oak Ridge, Tenn., USA.< http://cdiac. ornl.gov/trends/co2/graphics/sio-mlgr.gif. 2: p. 05-06. 2008.
2. Branduardi, P. and M. Sauer, Microbial carbon dioxide fixation: new tricks for an old game. FEMS microbiology letters. 365(3): p. fnx269. 2017.
3. Claassens, N.J., A warm welcome for alternative CO 2 fixation pathways in microbial biotechnology. Microbial biotechnology. 10(1): p. 31. 2017.
4. Bassham, J.A., et al., The path of carbon in photosynthesis. XXI. The cyclic regeneration of carbon dioxide acceptor1. Journal of the American chemical society. 76(7): p. 1760-1770. 1954.
5. Ljungdahl, L. and H.G. Wood, Incorporation of C14 from carbon dioxide into sugar phosphates, carboxylic acids, and amino acids by Clostridium thermoaceticum. Journal of bacteriology. 89(4): p. 1055-1064. 1965.
6. Ragsdale, S. and H. Wood, Acetate biosynthesis by acetogenic bacteria. Evidence that carbon monoxide dehydrogenase is the condensing enzyme that catalyzes the final steps of the synthesis. Journal of Biological Chemistry. 260(7): p. 3970-3977. 1985.
7. Evans, M., B.B. Buchanan, and D.I. Arnon, A new ferredoxin-dependent carbon reduction cycle in a photosynthetic bacterium. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 55(4): p. 928. 1966.
8. STRAUSS, G. and G. FUCHS, Enzymes of a novel autotrophic CO2 fixation pathway in the phototrophic bacterium Chloroflexus aurantiacus, the 3hydroxypropionate cycle. European journal of biochemistry. 215(3): p. 633-643. 1993.
9. Berg, I.A., et al., A 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate autotrophic carbon dioxide assimilation pathway in Archaea. Science. 318(5857): p. 1782-1786. 2007.
10. Huber, H., et al., A dicarboxylate/4-hydroxybutyrate autotrophic carbon assimilation cycle in the hyperthermophilic Archaeum Ignicoccus hospitalis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105(22): p. 7851-7856. 2008.
11. Bar-Even, A., E. Noor, and R. Milo, A survey of carbon fixation pathways through a quantitative lens. Journal of experimental botany. 63(6): p. 2325-2342. 2011.
12. Boyle, N.R. and J.A. Morgan, Computation of metabolic fluxes and efficiencies for biological carbon dioxide fixation. Metabolic engineering. 13(2): p. 150-158. 2011.
13. Kawasumi, T., et al., Hydrogenobacter thermophilus gen. nov., sp. nov., an extremely thermophilic, aerobic, hydrogen-oxidizing bacterium. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 34(1): p. 5-10. 1984.
21세기 과학 기술 키워드 중 절대 빠지지 않는 하나의 키워드는 지구 온난화 혹은 기후 변화이다. 산업 혁명과 2차 세계 대전 이후, 전 지구적인 산업화는 지하에 저장되어 있던 탄소원인 석탄, 석유, 천연 가스 등의 화석 연료의 급격한 사용을 불러왔다. 이는 대기의 이산화탄소 및 메탄의 농도를 높이는 결과물을 만들었고, 온실효과 (greenhouse effect)에 따른 지구 전체 기온의 상승을 유발하였다. 지난 50년간 대기 중의 이산화탄소 농도는 20%가 상승했고, 탄소 고정에 대한 중요성이 제기되고 있다[1]. 대기 중의 탄소는 일반적으로 화학적/생물학적인 탄소고정으로 인해 저장된다. 화학적 고정 반응의 경우, 해수 속의 칼슘 등의 이온과 반응해 지하에 저장된다. 생물학적 이산화탄소의 고정은 태양광을 이용한 광합성 생물 (photo-autotroph)와 광물 등에서 에너지를 얻어서 탄소를 고정하는 화학독립영양생물 (chemolitho-autotroph)에 의해 발생된다.
바이오리파이너리 (biorefinery)는 기존의 화석 연료 기반의 연료 및 물질을 생물화학공정으로 대체하는 공정을 의미하며, 현재 셀룰로오스 등의 다양한 저렴한 기질을 활용해 고부가가치의 물질을 생산하는 공정이 많이 개발되고 있다. 하지만 이는 결과적으로 기존의 화석연료 기반의 공정과 유사한 전체 반응을 가지는, 즉 대기 중으로 이산화탄소 등의 탄소를 방출하는 공정으로써 화석 연료 기반의 공정을 이상적으로 대체하기 힘들다. 따라서 최근에는 이산화탄소를 탄소원으로 사용하는 독립영양생물 (autotroph)을 생촉매로 하는 생물화학공정이 주목 받고 있다[2, 3]. 이 중 미생물을 기질로 활용하는 공정은 효소나 식물 등을 생촉매로 하는 공정에 비해 다양한 장점을 가지고 있다. 첫째, 효소를 사용하는 것이 비해 하나의 반응기에서 여러 화학반응을 동시에 수행할 수 있다. 둘째, 미생물은 자가 복제를 통해 증식하므로 반영구적으로 활용이 가능하다. 또한 식물에 비해 생장속도가 월등히 빠르므로 대상 산물의 생산 속도가 월등히 빠르다. 그리고 생물 다양성이 커 다양한 대사에서 다양한 물질의 생산이 가능하다.
생물에 의한 탄소 고정 대사는 지금까지 6가지 탄소 고정 회로가 존재하는 것으로 알려져 있다. 각각의 경로는 대상 생물의 환경에 따라 그에 맞게 진화해왔으며, 생물화학공학적인 관점에서 이는 다양한 물질의 생산에 대한 가능성을 보여주고 있다. 본 리보트에서는 각각의 탄소 고정 대사에 대해 정리하고, 이를 수행하는 미생물의 특징 등에 대해서 정리하고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 미생물의 이산화탄소 고정 경로 발견의 역사
가장 먼저 발견된 이산화탄소 고정 경로는 Calvin Benson Bassham cycle (CBB)로 알려진 reductive pentose phosphate pathway로 1954년에 Bassham 등에 의해 보고되었으며, 가장 대표적인 탄소 고정 회로이다[4]. 이는 주로 산소를 기반으로 광합성을 통해 생장하는 식물이나 미생물 등에서 발견되며, 일부 혐기성 미생물에서도 발견된다. 다음으로 발견된 탄소 고정 경로는 Clostridium thermoaceticum에서 14C 실험을 통해 발견된 경로로써, 기존의 CBB 경로와 다른 중간체를 통해 탄소가 고정된다는 것이 1965년에 Ljungdahl과 Wood에 의해 보고 되면서 알려졌다[5]. 이는 Reductive acetyl-CoA 혹은 Wood-ljungdahl 경로로 불리고 있다. 20년 동안의 연구 끝에 이 경로의 효소들에 대해서 연구한 결과 흥미롭게도 carbon monoxide dehydrogenase가 관여하는 것으로 알려졌으며, 혐기성 아세트산 생성균과 메탄 생성균에서 생장 및 에너지 대사를 위해 존재하는 것으로 보고되고 있다[6]. 다음으로 알려진 탄소 고정 경로는 Reductive TCA 경로로써, 1966년에 Evans 등에 의해 보고되었지만[7], 1990년대에 와서야 널리 알려진 경로이다. Chlorobium thiosulfatophilum 과 프로테오박테리아 중 Aquifex인 Hydrogenobacter와 Crenarchaeota 등에서 발견되고 있다.
1989년, Holo 등은 네번째 탄소 고정 경로가 3-hydroxypropionate를 중간체로 하는 경로로써 존재할 수 있을 가능성에 대해서 보고하였고, 이후의 연구들에 의해 이 회로가 cyclic 회로로써 존재함이 증명되었다[7, 8]. 처음으로 발견된 3-hydroxypropionate 경로는 Chlroflexus aurantiacus에서 발견된 3-hydroxypropionate/malyl-CoA cycle (3-HP/Mal-CoA cycle) 이며, Chloroflexus 종에서 나타난다. 2007년 Berg 등에 의해 다섯번째 탄소 고정 경로가 발견되었는데, 이는 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle (3-HP/4-HB cycle)으로써 Metallophaera sedula와 Sulfolobus acidianus에서 발견되었다[9]. 이는 Archaeoglobus와 Cenarchaeum 종으로써 새로운 3-hydroxypropionate 기반의 탄소 고정 회로를 가지는 것으로 밝혀졌다. 2008년에 또 다른 Archaeum종인 Ignicoccus hospitalis는 acetyl-CoA에서 succinyl-CoA로 가는, Reductive TCA 경로와는 다른 7개의 효소 반응에 의한 경로를 밝혀내었다[10].
2.2. 이산화탄소 고정 경로
2.2.1. Calvin-Benson cycle
Calvin-Benson cycle은 육상 생태계를 비롯한 표영생태계에 가장 널리 분포하는 탄소 고정 회로로써, 육상 식물이나 식물성 플랑크톤 등의 광합성 독립 영양생물과 일부의 혐기성 화학독립영양세균에서 나타난다[11]. Calvin-benson cycle이라고도 불리며 혹은 Reductive pentose phosphate pathway라고도 불리는데, 이는 이 경로가 Pentose phosphate의 반대 방향의 반응을 통해 이산화탄소를 고정하기 때문이다. 전체 반응식을 살펴보면, 3분자의 이산화탄소가 하나의 glyceraldehyde-3-phosphate (G-3-P)를 합성하며, 하나의 G-3-P가 합성될 때 필요한 전체 반응은 11개의 반응이다. 전체 반응에서 필요한 에너지는 3분자의 이산화탄소가 하나의 G-3-P가 될 때, 총 5분자의 NAD(P)H와 7분자의 ATP가 소모가 된다. 광합성의 광량으로 보았을 때, 한 cycle에 필요한 quantum은 13.9개가 필요하다[11, 12].
2.2.2. Reductive acetyl-CoA pathway
Reductive acetyl-CoA 경로는 Wood-ljungdahl pathway라고도 불리며, CO2의 reduction을 통해 acetyl-CoA를 생산하는 반응이다. 혐기성 아세트산 생성 미생물 (acetogen)과 메탄 생성 미생물 (methanogen)에서 주로 발견된다[11]. 다른 경로들과는 다르게 cycle이 아닌 linear의 대사 경로를 가지고 있다. 또한 중간체의 carboxylation를 통해 이산화탄소를 고정하는 것과는 달리, 이산화탄소를 Formate나 CO로 환원시킨 이후, 이를 고정하는 반응을 수행하는 것으로 보고되고 있다. 이는 효소의 관점에서 혹은 생물물리학적으로 상대적으로 매우 효율적인 탄소 고정 반응으로 보여진다. 다만, reduction 반응의 핵심인 ferredoxin 및 연관 효소가 산소에 매우 민감하여, 대부분의 미생물에서 미량의 산소만으로도 세포의 생장이 멈추거나 사멸하는 현상을 보인다. 전체 반응은 12개의 반응으로 구성되어 있으며, 3분자의 이산화탄소를 통해 1분자의 pyruvate를 합성할 수 있고, 이때 필요한 에너지는 2분자의 환원된 ferredoxin과 3분자의 NAD(P)H, 1분자의 ATP가 소모가 된다. ATP의 측면에서 가장 효율적인 반응이라 볼 수 있으나, 혐기성 미생물에서만 일어나는 반응이라 전자 전달계를 통한 ATP 합성이 불가능하다는 단점을 갖고 있다[11, 12].
2.2.3 Reductive TCA cycle
Reductive TCA cycle은 TCA cycle의 역반응을 통해 이산화탄소를 고정하는 회로로써, 대부분 Aquifex에서 발견이 되는데, 일부 효소가 산소에 의해 저해되는 반응으로 보통은 혐기성 상태에서 회로가 작동한다[11]. 하지만, Aquifex는 초고온성 미생물로써 고온에서는 산소에 용해도가 떨어져 높은 저농도의 산소 조건에서는 효소의 inhibition을 유의미한 수준으로 발생하지 않는다. 특히 Hydrogenobacter thermophilus TK-6의 경우, 대기 수준의 산소 농도에서도 충분히 잘 성장하는 것으로 보고되었다[13]. 전체 반응은 3분자의 이산화탄소가 하나의 pyruvate가 되는 반응이며, 총 2분자의 환원된 ferredoxin과 3분자의 NAD(P)H가 소모가 되며, ATP는 2분자가 소모가 된다. 다른 반응들에 비해 ATP 소모가 적은 반응이라 에너지적으로 효율적인 반응이라 할 수 있으며, 일부 미생물은 전자 전달계를 활용할 수 있어 ATP 합성에서 효율적이라 할 수 있다. 일부의 광합성 미생물에서도 나타나는데, quantum의 양으로 계산하였을 때 11.0의 quantum이 필요한 것으로 알려지고 있고, 이는 다른 광합성 회로인 Calvin-benson cycle이나 3-HP/Malyl-CoA cycle보다 적은 quantum 요구량임을 알 수 있다[11, 12].
2.2.4. 3-HP/Malyl-CoA cycle
3-HP/Malyl-CoA 경로는 green non-sulphur 미생물인 Chloroflexus aurantiacus 등의 Chloroflexi 종에서 주로 발견되는 경로이다[11]. 주로 광합성과 연관되어 반응이 진행되며, 다른 광합성 탄소 고정 회로인 Calvin-benson cycle, reductive TCA cycle에 비해 높은 광량인 15.3 quantum이 필요한 것으로 보고되고 있다. 전체 반응은 3분자의 HCO3- 를 통해 1분자의 Pyruvate를 생산하며, 총 6분자의 NAD(P)H가 소모가 되며 7분자의 ATP가 사용된다. 또한 1분자의 ubiquinone을 통해 탄소 고정 반응과 동시에 전자 2개를 방출하게 된다[11, 12].
2.2.5. 3-HP/4-HB cycle
3-HP/4-HB cycle은 호기성 고세균인 Thaumarchaerota와 호기성 고온성 고세균인 Sulfolobales 종에서 발달된 것으로 알 수 있다[11]. 전체 반응은 3분자의 HCO3-를 소모하여 1분자의 pyruvate를 생산하게 되며 총 7분자의 NAD(P)H와 9분자의 ATP를 소모하는 반응이다. 또한 동시에 1분자의 ubiquinone과 1분자의 NAD를 환원시키는 반응으로, ATP의 관점에서 가장 소모가 많은 반응이다[11, 12].
2.2.6. DC/4-HB cycle
DC/4-HB 경로는 혐기성 혹은 microaerobic 상태의 고온성 고세균에서 주로 발견이 되며, Desulfurococcales와 Thermoproteales 종에서 잘 발달되어 있는 것으로 알려져 있다[11]. 특이하게 이 반응은 2분자의 CO2와 1분자의 HCO3-를 고정시키는 반응이다. 전체 반응은 환원된 ferredoxin 2분자 (또는 3분자), NAD(P)H 3분자 (또는 2분자)의 에너지는 소모하게 되며, 5분자의 ATP를 소모하는 것으로 알려져있다[11, 12].
2.3. 이산화탄소 고정의 생물공학적 활용가능성 및 전망
독립영양미생물 (autotrophic bacteria)의 이산화탄소 고정 경로를 이용한 연료 및 유용화학물질의 생산은 크게 에너지원에 따라 생물공학적 활용가능성이 나뉜다. 빛을 이용한 광합성 미생물을 사용하는 경우, 대부분 Calvin-Benson cycle을 탄소 고정 회로로 가지기 때문에 이를 이용하여 생산에 활용한다. Calvin-Benson cycle을 가지는 미생물의 경우, 다른 독립영양미생물에 비해 산소를 이용할 수 있는 미생물이 많고, 지속적으로 빛이 공급될 경우 빠른 생장속도를 보인다. 또한 여러 연구를 통해 genetic tool box가 개발되어 있는 경우가 많아 합성생물학 기법 등을 활용한 합성 경로의 여러 화학물질 생산에 활용되고 있다. 그리고 빠른 이산화탄소 고정 속도 덕분에 높은 탄소수의 fatty acid 등이 생산이 가능해 바이오연료의 생산에도 활용된다. 하지만 광반응기 자체가 에너지의 관점에서 비효율적인 단점 때문에 이를 극복하고자 하는 연구가 많이 보고되고 있다.
다른 탄소원, 포도당 등을 에너지원으로 사용하는 경우에는 독립영양미생물보다는 복합영양미생물 (mixotroph)을 활용하여 생산이 수행되며, 보다 효율적으로 에너지를 전달할 수 있다는 장점이 있다. 반면 이산화탄소의 고정 측면에서는 carbon catabolic repression 등을 비롯하여 효율이 떨어지는 단점이 있고, 종속영양미생물 (heterotroph) 대비 장점이 많지 않아, 많이 시도되지 않고 있다.
대안으로 수소나 금속 이온 등을 통해 에너지 전달을 유도하는 경우, 상대적으로 높은 에너지 전달 효율이 있으므로 최근 많이 연구되고 있다. 이러한 전자 전달의 경우, 다양한 미생물을 이용하여 생산에 활용할 수 있어, 이는 자연적으로 발전한 생산 경로를 이용하여 여러 화학물질을 생산하는데 활용되고 있다. 특히 최근의 신재생에너지 기술의 급격한 발전으로 인해 전기 자체를 이용하여 전자를 전달하는 electrosynthesis 기술의 경우, 이산화탄소를 유기산이나 알코올로 전환하는 연구가 많이 시도되고 있다.
3. 결론
지구 온난화에 따른 온실효과에 대한 우려로, 여러 화학 공정은 이산화탄소를 배출하지 않는 탄소 제로 공정 개발을 목표로 연구가 수행되고 있다. 탄소 제로를 뛰어넘어서 탄소 마이너스 공정, 즉 대기 중의 이산화탄소를 탄소원으로 하는 공정 개발은 기후 변화에 대응할 수 있는 기술로써 주목받고 있다. 생물학적으로 탄소를 고정할 수 있는 대사 경로는 크게 6가지로, Calvin-Benson cycle, Reductive acetyl-CoA pathway, Reductive TCA cycle, 3-hydroxypropionate/Malyl-CoA cycle, 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle, Dicarboxylate/4-hydroxybutyrate cycle이 현재까지 자연계에 존재한다고 밝혀졌다. 이들은 각각의 미생물이 존재하던 환경에 맞게 진화되어 왔으며, 이는 여러 경로를 활용하여 다양한 화학물질을 생산할 수 있는 가능성을 보여주고 있다. 최근 생명공학 기술의 급격한 발전으로 인해 이산화탄소 고정 미생물을 활용하여 기존의 화석연료기반의 화학 물질 생산을 대체할 수 있는 가능성이 더 높아졌으며, 가까운 미래에 실제 상용화에 근접할 공정들이 개발될 것이라 예상된다.
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