본 도쿄대학교 연구진은 바이오연료 생산에 핵심적으로 활용되는 효소 활성에 관한 메커니즘 및 3차원 구조를, 세계 최초로 밝히는데 성공하였다. 해당 효소는 cellobionic acid phosphorylase(CBAP)로, 주로 셀룰로오스를 분해하는 박테리아나 사상균에서 발견된다. 이번 연구 결과는 바이오연료 생산을 위한 기술뿐 아니라 바이오매스로부터 기타 화학물질을 생산하는 기술을 개발하는데 중요한 기초 정보로 활용될 수 있다.

예전부터, cellulase와 같은 가수분해 효소가 셀룰로오스의 미생물학적 분해에 주요하게 기여하고 있음이 알려져 있었다. 최근 들어서, 산화 셀룰로오스 분해 효소의 존재가 인지되었으며, 산화 셀룰로오스 분해 효소는 cellulase의 활성 효율을 극적으로 증가시키는 역할을 한다. 이러한 효소가 셀룰로오스를 분해하면, cellobionic acid가 생성되게 된다. 하지만 셀룰로오스 분해 미생물이 이러한 화합물을 추가적으로 어떻게 대사작용하는지에 대해서는 아예 알려져 있지 않았다.

2013년, 일본 니가타(Niigata)대학교 공학부의 Hiroyuki Nakai 교수 연구팀은 cellobionic acid phosphorylase(CBAP)라는 새로운 효소를 발견하는데 성공하였다. CBAP 효소는 cellobionic acid 분해에 촉매작용을 하며, 이를 통해 추가적인 대사작용 및 발효 과정으로 넘어가기 쉬운 화합물로 전환 생성되게 된다. 따라서, CBAP 효소가 미생물 내 산화 셀룰로오스 분해와 바이오에탄올 발효 대사경로 사이의 잃어버린 고리였음을 알 수 있다. 하지만, CBAP 효소의 3차원 화학 구조와 cellobionic acid 분해 메커니즘에 대한 정보는 여전히 미지의 상태로 남아있었다.

일본 도쿄대학교 농생명학부 Shinya Fushinobu 교수팀은 이전 연구로부터 산화 및 가수분해 셀룰로오스 분해 시스템의 일차적 생성물은 cellobionic acid (CbA)와 셀로바이오스(cellobiose)의 aldonic acid 형태임을 확인하였다. 이를 바탕으로, 셀룰로오스 분해 사상균과 박테리아로부터 분리된 세포 내 효소가 cellobionic acid를 glucose 1-phosphate와 gluconic acid로 전환하는 가역적 가인산분해(phosphorolysis)에 촉매작용을 하는 cellobionic acid 가인산분해효소임을 밝혀내었다.

연구팀은 X선 결정학을 통해 해양 셀룰로오스 분해 박테리아의 일종인 Saccharophagus degradans로부터 분리해 낸 CBAP 효소의 3차원 화학구조를 분석하였다. 또한 cellobionic acid 등이 포함된 복합체 내의 CBAP의 구조를 결정하였으며, 이를 통해 cellobionic acid의 분해 메커니즘 반응을 푸는데도 성공하였다.

Fushinobu 교수는 “이번 연구 결과는 과학적인 관점에서 매우 흥미롭다. 또한 바이오리파이너리, 즉 바이오매스로부터 미생물의 분해 반응을 통해 바이오에탄올과 기타 유용 화합물을 생산하는 기술의 개발에도 크게 기여할 수 있을 것이다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 30일]

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