[중국] 농작물 짚 분해를 이용한 바이오매스 연구
 바이오매스(Biomass) 자원의 효율적인 이용은 에너지 위기를 완화시키고, 온실가스 배출을 감소시키고, 사회의 지속적인 발전을 추진하는 면에서 중요한 역할을 발휘한다. 농작물 짚(Straw)은 생산범위가 넓고, 연간 생산량이 높고, 인류와 식량 경쟁을 하지 않으며, 셀룰로오스 및 반(半) 셀룰로오스 함유량이 높은 등 강점을 보유하고 있기 때문에 중요한 바이오 정제 원료로 되고 있다.
하지만 짚(Straw)은 성분이 복잡하고, 강인하며, 이질성이 높기 때문에 다양한 농작물 짚(Straw)으로 하여금 바이오 정제 과정에서 필요한 분해(decompose) 효소 계(系)의 차이가 발생하게끔 하고 있는 상황이다.
때문에 미생물 분해 과정 중에서 이용하는 다양한 농작물 짚(Straw)의 공통성과 특성에 대한 정밀 분석 실행은 이성(理性)적인 바이오 매스 분해 박테리아 개선에 유리할 뿐만 아니라 짚(Straw)에서 제품에 이르기까지의 미생물 직접 전환을 효과적으로 추진하고 화학품과 연료의 바이오 정제를 효과적으로 실현하는데 유리하다.
중국과학원 톈진(天津) 공업 생물기술 연구소 톈자오광(田朝光) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 짚(Straw) 분해를 이용한 바이오매스 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.
연구팀은 뉴로스포라 크라사(Neurospora crassa)를 연구 대상으로 선정한 동시에 중국의 다섯 가지 주요 농작물 짚(Straw)(보리, 밀, 옥수수, 벼 및 콩의 짚(Straw))을 유일한 카본 소스로 선정하고 2세대 높은 처리량 시퀸싱 기술(RNA-Seq)을 이용하여 진균류 응답의 다양한 바이오매스 기판 물질 특징에 대해 계통적인 탐색 작업을 실행하였다.
연구팀은 유전자 차이 분석을 통해 물종(物種) 짚(Straw)은 공동으로 430개 유전자 상향 조절 발현을 유도하게 되는데, 이런 발현은 식물 바이오매스 응답의 핵심으로 되며 그 중에는 대량의 탄수화물 활성 효소(CAZy) 유전자를 함유하고 있다는 점을 발견하였다.
이런 응답 핵심 중에서 부분적인 유전자는 탄소 결핍(Carbon starvation) 조건 하에서 상향 조절 발현을 실현하지만 여전히 252개 유전자가 식물 바이오 매스에 의해 유도되어 바이오매스 레귤론(Biomass regulon)에 속하는 것으로 나타났다.
연구팀은 한층 더 심층적으로 아비셀(avicel), 자일란(xylan) 및 펙틴(pectin) 레귤론(Biomass regulon)에 대한 비교 분석을 통해 88개 유전자는 바이오 매스 상에서만 유도된다는 점을 발견하였다.
연구팀은 88개 유전자 특이한 데이터베이스 중의 전사 인자(Transcription factor) 선별을 통해 전사 인자 rca-1의 결핍은 뉴로스포라 크라사(Neurospora crassa)로 하여금 농작물 짚(Straw) 상에서 효소 생성 수준을 뚜렷이 향상시킬 수 있게 한다는 점을 발견하였다.
연구팀은 이번 연구를 통해 바이오매스 상에서의 rca-1의 결핍은 셀룰라아제(Cellulase)가 조정 제어하는 핵심 허브 중 하나인 clr-2의 발현을 억제시킬 수 있다는 점을 발견하였다.
연구팀은 Δrca-1을 기반으로 재결핍 부정적 조정 제어 인자인 cre-1이 셀룰라아제(Cellulase)로 하여금 바이오 매스 상에서 성장하는 리그노셀룰로오스 효소(Lignocellulosic enzyme) 발현 수준을 한층 더 향상시킬 수 있게 한다는 연구 결론을 도출하였다.
이번 연구는 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 등 관련 ‘과학기술 연구 계획’ 프로젝트 비용 지원을 받아 실행되었다.
연구팀의 관련 연구 성과는 바이오매스 에너지 분야 주요 국제 학술지인 Biotechnology for Biofuels에 발표되었으며, 중국과학원 톈진(天津) 공업 생물기술 연구소 박사과정에 있는 왕빵(王邦)이 논문 제1저자로 되고 있다.
그림 1. 다섯 가지 바이오매스의 화학 구성 성분(BS: 보리 짚(Straw), CS: 옥수수 짚(Straw), RS: 벼짚, SS: 콩 짚(Straw), WS: 밀짚)임.
그림 2. 바이오 매스 응답 핵심 유전자의 클러스터링(Clustering) 분석 및 기능 분류(A. 총체적 차이 유전자 발현 스펙트럼, B. 다양한 그룹 차이 발현 유전자의 기능 분류 분석)임.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 5월 6일]
[원문보기]
天津工生所在秸秆降解利用研究方面取得进展
生物质资源有效利用是缓解能源危机、减少温室气体排放、促进社会可持续发展的重要举措。农作物秸秆以其生产范围广、年生产量大、不与人争粮以及纤维素、半纤维素含量高等优点成为重要的生物炼制原料。然而，由于秸秆成分复杂、坚韧、异质性高，使得不同农作物秸秆在生物炼制过程中所需的降解酶系可能会有所不同。因此，厘清微生物降解过程中利用的不同农作物秸秆的共性和特性，有助于理性改造生物质降解菌，开发有效的从秸秆到产品的微生物直接转化策略，实现化学品和燃料的生物炼制。
中国科学院天津工业生物技术研究所田朝光研究组以粗糙脉孢菌为研究对象，选取我国主要的五种农作物秸秆（大麦、小麦、玉米、水稻以及大豆的秸秆）作为唯一碳源，采用第二代高通量测序技术（RNA-Seq），系统探讨了真菌响应不同生物质底物的特点。基因差异分析显示，物种秸秆共同诱导了430个基因上调表达，是响应植物生物质的核心，其中包含大量碳水化合物活性酶（CAZy）基因。在这个响应核心中，虽然有些基因在碳饥饿条件下上调表达，但仍有252个基因被植物生物质特异诱导，属于生物质调节子（Biomass regulon）。进一步通过与微晶纤维素（Avicel）、木聚糖（Xylan）以及果胶（Pectin）调节子的比较分析发现，88个基因仅在生物质上被诱导。通过筛选这88个特异数据库中的转录因子发现，缺失了转录因子rca-1能显著提高粗糙脉孢菌在农作物秸秆上的产酶水平；因此，推测可能是由于在生物质上缺失了rca-1有助于抑制纤维素酶调控的核心枢纽之一clr-2的表达。在Δrca-1的基础上再缺失负调控因子cre-1，能进一步提高粗糙脉孢菌在生物质上生长时木质纤维素酶的表达水平。
该研究得到国家“973”计划(2011CB707403)等科技计划项目资助。相关研究成果发表在生物能源领域主要国际期刊Biotechnology for Biofuels，天津工生所博士研究生王邦为论文第一作者。
[사진 출처참조]
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