바이오매스 자원의 효과적인 이용은 에너지 위기를 완화시키고 온실가스 배출을 줄이며 지속 가능한 사회 발전을 촉진하는 중요한 조치이다. 농작물줄기는 생산범위가 넓고 연간 생산량이 크며 인간과 양식이 비경쟁적 구조를 갖고 섬유소와 반섬유소(hemicellulose) 함량이 높은 등의 장점으로 중요한 바이오 정제원료로 되었다. 그러나 농작물줄기 성분이 복잡하고 단단하고 질기며 이질성(heterogeneous)이 높아서 다양한 농작물줄기가 바이오 정제과정에서 필요하는 분해효소 계열이 조금씩 다를 수가 있다. 그러므로 미생물 분해과정에서 이용하는 다양한 농작물 줄기의 공성(general character)과 특성을 정리하는 것은 바이오매스 분해균을 이성적으로 개조하고 효과적으로 농작물줄기에서 제품으로 미생물 직접 전환 책략을 연구하여 화학품과 연료의 바이오 정제를 실현하는데 유리하다.

중국과학원 천진(Tianjin city)공업생물기술연구소 Chao-guang Tian 연구팀은 빵곰팡이(neurospora crassa)를 연구대상으로 하고 중국에서 중요한 5가지 농작물줄기(보리, 밀, 옥수수, 벼 및 콩의 줄기)를 유일한 탄소원으로 하며 2세대 고속통과 시퀀싱기술(high-throughout sequencing technology, RNA-Seq)을 이용하여 진균이 다양한 바이오매스 기질에 미치는 영향 특징을 체계적으로 연구하였다.

유전자 차이 분석에 의하면 5가지 줄기에서 모두 430개 유전자 양상 발현을 유도하였고 이는 식물 바이오매스를 피드백하는 핵심이며 그중에서 대량 탄수화합물 활성 효소(CAZy) 유전자가 대량으로 포함되었다. 이 피드백 핵심에서 비록 일부의 유전자가 탄소결핍(carbon starvation) 조건에서 변동 발현하지만, 여전히 252개의 유전자가 식물 바이오매스 특이성에 유도되는데 이는 바이오매스 조절자(biomass regulon)에 속한다.

아비셀(avicel), 자일란(xylan) 및 펙틴(pectin) 조절자와의 비교 분석에 의하면, 88개 유전자만이 바이오매스에서 유도되었다는 것을 발견하였다. 이 88개 특이성 테이터베이스에서의 전사인자에 의하면 전사인자 rca-1이 결핍되면 빵곰팡이 농작물줄기에서의 효소 생산 수준을 현저하게 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 그러므로, 이는 바이오매스에서 rca-1이 부족하여서 섬유소효소 제어의 핵심 중 하나인 clr-2의 발현을 억제하는데 유리한 것으로 추측하였다. ΔRca-1의 기초에서 부정적 제어요소 cre-1이 결핍하면 빵곰팡이가 바이오매스 성장 시 목질 섬유소효소의 발현수준을 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다.

이 연구는 (중국)국가 “973”계획(2011CB707403) 등 과학기술 프로젝트의 지원을 받았다. 관련된 연구성과는 바이오에너지 영역에서 주요한 국제저널 “Biotechnology for Biofuels”에 발표되었으며 천공업생물기술연구소 박사연구생 Bang Wang이 논문의 제1저자이다.

그림 1: 5가지 바이오매스의 화학성분(BS: 보리 줄기; CS: 옥수수 줄기; RS: 벼짚; SS: 콩 줄기; WS: 밀 줄기)
그림 2: 바이오매스가 핵심유전자에 피드백하는 풀리(poly)류 분석과 기능분류(A. 전반적인 차이 유전자 발현 스펙트럼; B. 서로 다른 팀의 차이 발현 유전자의 기능분류 분석)

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 5월 4일]