화석연료는 그 사용량이 제한되어 있어 다른 에너지원이 필요하였으며 바이오 연료는 화석연료의 효과적인 대체제로 여겨졌다. 농업용 작물에서 뽑아낸 당분은 바이오 연료를 생산하는 데에 쓰일 수 있으나 이러한 작물들을 키우기 위해서는 식량 생산에 필요한 농경지가 소비되는 문제가 있다. 

포플러, 유칼립투스 등과 같이 빠르게 성장하는 식물들이나 옥수수대나 사탕수수 줄기와 같은 초목의 잔여물들은 식량 생산에 필요한 농경지를 사용하지 않으며 바이오 연료 생산의 안정적인 공급원이 될 수 있다. 벨기에 겐트대학교 (Ghent University), 영국 던디대학교 (University of Dundee)와 제임스 허튼 연구소(The James Hutton Institute), 미국 위스콘신 대학교 (University of Wisconsin)의 공동 연구팀은 바이오매스를 에너지로 변환시키는 것을 억제하는 식물의 2차 세포벽의 주요 구성물질인 리그닌(lignin)의 생합성경로(biosynthetic pathway) 내에서 새로운 유전자를 확인하였다. 

과학저널 Science지를 통해 발표된 본 연구 결과는 바이오 기반 경제를 지지하는 새로운 방법을 구상할 수 있는 상황을 조성할 것이다. 

스탠포드 대학교(Stanford University)의 Sally M. Benson은 본 연구를 통해 얻은 흥미롭고 중요한 결과는 식물 내의 리그닌을 전환할 수 있는 대체 경로를 제시하며 바이오 연료 생산을 위한 에너지 작물 전환의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 가능성을 가지고 있다고 설명하였다. 그는 본 프로그램을 통해 성공적인 결과를 얻게 되기를 희망한다고 덧붙였다. 

식물세포가 연료 또는 플라스틱을 어떻게 운반하는가를 이해하기 위해서는 식물의 세포벽에 대한 기본적인 지식이 필요하다. 식물세포벽은 리그닌과 셀룰로스 같은 당 분자로 주로 구성되어 있다. 셀룰로스는 알코올을 생산하는 전통적인 발효 공정에서 사용되는 글루코스로 전환될 수 있다. 리그닌은 당 분자를 고정시키는 시멘트와 같은 역할을 하여 식물이 견고하게 유지될 수 있도록 한다. 이러한 리그닌 성분으로 인해 키가 크게 자라는 식물들도 그 형태를 유지할 수 있게 된다. 불행하게도, 리그닌은 바이오 연료 생산에 사용 가능한 당 분자의 양을 감소시킨다. 리그닌은 에너지가 많이 들고 환경 친화적이지 않은 프로세스를 통해서 제거될 수 있다. 리그닌의 함량이 적거나 상대적으로 분해가 쉬운 형태의 리그닌을 가지고 있는 식물들은 바이오 연료나 바이오 플라스틱의 생산에 도움이 된다. 비슷한 이유로 제지산업에서도 종이를 생산하기 위해 셀룰로스 섬유를 사용한다.

수 년 동안 많은 연구자들은 식물 내에서 일어나는 리그닌의 생합성경로를 연구하였다. 이 프로세스에 대한 지식이 증가함에 따라 셀룰로스 분자의 사용 가능성을 향상시킬 수 있는 새로운 전략들이 생겨났다. 연구진은 이러한 전략을 수행하기 위한 모델 식물로서 애기장대(Arabidopsis thaliana)를 사용하였으며, 리그닌의 생합성 경로 내에서 새로운 효소를 발견하였다. 이 효소는 caffeoyl shikimate esterase (CSE)로 리그닌의 생합성에서 중요한 역할을 담당한다. CSE 유전자를 파괴하면 줄기 물질 1그램당 리그닌 함량이 36 퍼센트 감소하였다. 또한 남아있는 리그닌은 변형 가능한 구조를 갖게 되었다. 그 결과로 셀룰로스에서 글루코스로의 직접 변환은 전처리되지 않은 식물 바이오매스에서의 18퍼센트에서 CSE 변환 식물의 경우 78퍼센트로 약 4배 증가하였다. 

이 결과는 포플러, 유칼립투스, 스위치그라스 등과 같은 연료 작물들의 자연개체를 거르는 데에 사용되거나 CSE 유전자의 발현을 에너지 작물들의 유전자 조작에 사용할 수 있다. 리그닌 함량의 감소 또는 리그닌 분자 구조의 조작은 바이오매스를 에너지로 전환하는 과정을 보다 효율적으로 만드는 데에 도움이 될 것이다. 

본 연구는 겐트 대학교의 ‘지속 가능한 경제를 위한 바이오 기술(Biotechnology for a sustainable economy)’, 미 에너지부의 Great Lakes Bioenergy Research Center 및 `Global Climate and Energy Project` (GCEP)와의 다학문적 연구 파트너십에 의해 지원을 받았다. 

[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 08. 19]

Aug. 15, 2013 - Limited availability of fossil fuels stimulates the search for different energy resources. The use of biofuels is one of the alternatives. Sugars derived from the grain of agricultural crops can be used to produce biofuel but these crops occupy fertile soils needed for food and feed production.

Fast growing plants such as poplar, eucalyptus, or various grass residues such as corn stover and sugarcane bagasse do not compete and can be a sustainable source for biofuel. An international collaboration of plant scientists from VIB and Ghent University (Belgium), the University of Dundee (UK), The James Hutton Institute (UK) and the University of Wisconsin (USA) identified a new gene in the biosynthetic pathway of lignin, a major component of plant secondary cell walls that limits the conversion of biomass to energy.

These findings published online in this week's issue of Science Express pave the way for new initiatives supporting a bio-based economy.

"This exciting, fundamental discovery provides an alternative pathway for altering lignin in plants and has the potential to greatly increase the efficiency of energy crop conversion for biofuels," said Sally M. Benson, director of Stanford University's Global Climate and Energy Project. "We have been so pleased to support this team of world leaders in lignin research and to see the highly successful outcome of these projects."

Lignin as a barrier

To understand how plant cells can deliver fuel or plastics, a basic knowledge of a plant's cell wall is needed. A plant cell wall mainly consists of lignin and sugar molecules such as cellulose. Cellulose can be converted to glucose which can then be used in a classical fermentation process to produce alcohol, similar to beer or wine making. Lignin is a kind of cement that embeds the sugar molecules and thereby gives firmness to plants. Thanks to lignin, even very tall plants can maintain their upright stature. Unfortunately, lignin severely reduces the accessibility of sugar molecules for biofuel production. The lignin cement has to be removed via an energy-consuming and environmentally unfriendly process. Plants with a lower amount of lignin or with lignin that is easier to break down can be a real benefit for biofuel and bioplastics production. The same holds true for the paper industry that uses the cellulose fibres to produce paper.

A new enzyme

For many years researchers have been studying the lignin biosynthetic pathway in plants. Increasing insight into this process can lead to new strategies to improve the accessibility of the cellulose molecules. Using the model plant Arabidopsis thaliana, an international research collaboration between VIB and Ghent University (Belgium), the University of Dundee (UK), the James Hutton Institute (UK) and the University of Wisconsin (USA) has now identified a new enzyme in the lignin biosynthetic pathway. This enzyme, caffeoyl shikimate esterase (CSE), fulfils a central role in lignin biosynthesis. Knocking-out the CSE gene, resulted in 36% less lignin per gram of stem material. Additionally, the remaining lignin had an altered structure. As a result, the direct conversion of cellulose to glucose from un-pretreated plant biomass increased four-fold, from 18% in the control plants to 78% in the cse mutant plants.

These new insights, published this week online in Science Express, can now be used to screen natural populations of energy crops such as poplar, eucalyptus, switchgrass or other grass species for a non-functional CSE gene. Alternatively, the expression of CSE can be genetically engineered in energy crops. A reduced amount of lignin or an adapted lignin structure can contribute to a more efficient conversion of biomass to energy.

This research was co-financed by the multidisciplinary research partnership 'Biotechnology for a sustainable economy' of Ghent University, the DOE Great Lakes Bioenergy Research Center and the 'Global Climate and Energy Project' (GCEP). Based at Stanford University, the Global Climate and Energy Project is a worldwide collaboration of premier research institutions and private industry that supports research on technologies that significantly reduce emissions of greenhouse gases, while meeting the world's energy needs.

[원문출처: http://www.sciencedaily.com/releases/2013/08/130815145034.htm]