미국 미시간 주립대학(MSU; Michigan State University) 소속의 연구진은 남조류(blue-green algae)라고 알려져 있는 시아노박테리아(cyanobacteria)의 분자 조직을 간소화하는 분자용 스위스 아미 나이프(Swiss Army knife) 같은 다재다능한 방안을 구축했다. 새로운 방안은 남조류로부터 녹색 화학물질과 바이오연료를 생산하는 공정을 보다 더 실행 가능하게 만들어준다. 시아노박테리아는 일광으로 동력을 공급받아 대기로부터 이산화탄소를 복잡한 탄화수소로 전환시키는 능력을 가지고 있다.
연구팀은 어떤 기전이 오랫동안 관여하는지에 대한 연구를 수행해왔다. Plant Cell에 발표된 연구에서, 연구팀은 ① 박테리아의 탄소 고정 공장의 결합을 개선할 뿐 아니라, ② 박테리아에서 새로운 대사 경로를 설치하는데 사용 또는 ③ 식물 광합성을 개선할 수 있는 가능성이 있는 장치에 대한 개념 증명을 제공하기 위하여 합성 단백질(synthetic protein)이 어떻게 제작되는지에 대하여 기술했다.
연구진이 구축한 다기능 단백질은 스위스 아미 나이프에 비교될 수 있다고 이 논문의 주저자이며 MSU 박사과정 연구원인 Raul Gonzalez-Esquer는 밝혔다. 추론을 통해 기존의 존재하는 부분으로부터 연구팀은 몇 가지 필수적인 기능을 수행하는 새로운 단백질을 구축했다.
이 연구를 위하여, Gonzalez-Esquer는 MSU 산하 DOE 식물 연구 실험실(DOE Plant Research Lab) 구조 생명공학을 담당하고 있는 Cheryl Kerfeld 교수, MSU 석사과정 학생인 Tyler Shubitowski 등과 공동 연구를 수행했다. Kerfield의 실험실은 BMCs(bacterial microcompartments)를 연구했다. BMCs는 무수히 많은 대사 기능을 수행하는 자가 조립 세포 기관이며, 어떤 의미로 BMCs는 매우 다양한 조각을 가진 분자 공장(molecular factories)이다.
연구팀은 대기로부터 이산화탄소를 추출하여 당으로 전환하는 대사 코어(metabolic core)를 형성하기 위하여 최소 6가지 유전자 제품이 관여하는 일련의 단백질-단백질 상호 작용을 필요로 하는 특히 복잡한 BMC인 카르복시솜(carboxysome)을 갱신함으로써 분자 공장을 현대화했다. 이 공정을 간소화하기 위하여 연구팀은 녹색 화학물질 또는 바이오연료를 만드는데 사용되는 가능한 용도를 가지는 유기체인 시아노박테리아에서 하이브리드 단백질을 생성했다.
새로운 단백질은 4가지 유전자 제품을 대체하지만 광합성을 지원한다. 카르복시솜을 구축하는데 필요한 다수의 유전자를 감소시키는 것은 카르복시솜을 식물로 전달하는 공정을 촉진한다. 이러한 공정의 촉진은 이산화탄소를 고정하기 위한 식물의 능력에 도움을 준다. 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 식물의 능력을 개선하는 것은 윈윈 전략이라 할 수 있다고 Gonzalez-Esquer는 밝혔다.
새로운 합성 단백질을 만드는 공정은 커피를 만드는 것에 비교할 수 있다. 커피콩을 볶기 위한 오븐, 콩을 가공 처리하는 분쇄기와 커피를 내리는 기계 등을 얻기보다는 연구팀은 모든 공정이 하나의 장소에서 일어나는 단일 커피메이커를 구축했다고 그는 밝혔다. 새로운 도구는 원료를 취하여, 보다 더 적은 투자로 최종 생성물을 생성할 수 있다.
이러한 개념의 증명은 BMCs가 각각의 부분의 합으로 자를 수 있으며, 각각의 부분이 변경될 수 있다는 것을 보여주었다. BMCs가 다양한 대사 기능에 대하여 책임이 있기 때문에, BMCs는 생물공학 분야에 상당히 큰 가능성을 가지고 있다고 Kerfeld는 밝혔다. Kerfeld는 버클리 국립 연구소의 물리 생명과학부(Physical Biosciences Division) 소속이다.
연구팀은 분자 공장의 구축을 크게 단순화할 수 있다는 것을 보여주었다고 그녀는 밝혔다. 연구팀은 현재 다른 자연적으로 발생하는 공장을 재디자인할 수 있는 가능성 또는 박테리아에 구축할 수 있는 대사 공정을 위한 새로운 공장을 고안할 수 있게 됐다.
그러나 이러한 변경된 시아노박테리아 종은 조만간 전 세계 또는 어떤 연못에서도 얻을 수 없게 될 것이다. 개선된 유기체는 실험실 조건에서 광합성에 탁월한 한편, 개선된 유기체는 다른 박테리아와 경쟁하는데 준비가 되지 않을 것이다. 개선된 유기체가 4개의 유전자를 제거했기 때문에, 자연적인 경로만큼 유연하지는 않을 것이라고 연구팀은 밝혔다.
시아노박테리아는 생존하는데 경쟁해야만 하는 다른 유기체와는 달리 일광이 흠뻑 조사되는 연못, 그늘로 가려진 곳 및 겨울철에 꽁꽁 어는 곳에서 서식할 수 있도록 적응됐다고 Kerfeld는 밝혔다. 연구팀은 성장하는데 있어서 시아노박테리아의 능력을 제한했다. 시아노박테리아는 경쟁하기 위하여 모든 도구를 가질 필요가 없으며, 자연 환경에서 덜 우세하게 된다고 Kerfeld는 밝혔다.
Building a biofuel-boosting Swiss Army knife
Researchers at Michigan State University have built a molecular Swiss Army knife that streamlines the molecular machinery of cyanobacteria, also known as blue-green algae, making biofuels and other green chemical production from these organisms more viable.
The team has done in a year what has taken millions of years to evolve. In the current issue of Plant Cell, they describe how they fabricated a synthetic protein that not only improves the assembly of the carbon-fixing factory of cyanobacteria, but also provides a proof of concept for a device that could potentially improve plant photosynthesis or be used to install new metabolic pathways in bacteria.
"The multifunctional protein we've built can be compared to a Swiss Army knife," said Raul Gonzalez-Esquer, MSU doctoral researcher and the paper's lead author. "From known, existing parts, we've built a new protein that does several essential functions."
For this research, Gonzalez-Esquer worked with Cheryl Kerfeld, the Hannah Distinguished Professor of Structural Bioengineering in the Michigan State University-DOE Plant Research Lab, and Tyler Shubitowski, MSU undergraduate student. Kerfield's lab studies bacterial microcompartments, or BMCs. These are self-assembling cellular organs that perform myriad metabolic functions, and in a sense, they are molecular factories with many different pieces of machinery.
They modernized the factory by updating the carboxysome, a particularly complex BMC that requires a series of protein-protein interactions involving at least six gene products to form a metabolic core that takes CO2 out of the atmosphere and converts it into sugar. To streamline this process, the team created a hybrid protein in cyanobacteria, organisms that have many potential uses for making green chemicals or biofuels.
The new protein replaces four gene products, yet still supports photosynthesis. Reducing the number of genes needed to build carboxysomes should facilitate the transfer of carboxysomes into plants. This installation should help plants' ability to fix carbon dioxide. Improving their capacity to remove CO2 from the atmosphere makes it a win-win, Gonzalez-Esquer said.
"It's comparable to making coffee. Rather than getting an oven to roast the coffee beans, a grinder to process them and a brewing machine, we've built a single coffeemaker where it all happens in one place," he said. "The new tool takes raw material and produces the finished product with a smaller investment."
This proof of concept also shows that BMCs can be broken down to the sum of their parts, ones that can be exchanged. Since they are responsible for many diverse metabolic functions, BMCs have enormous potential for bioengineering, said Kerfeld, who also is an affiliate of the Berkeley National Laboratory's Physical Biosciences Division.
"We've showed that we can greatly simplify the construction of these factories," she said. "We can now potentially redesign other naturally occurring factories or dream up new ones for metabolic processes we'd like to install in bacteria."
However, this altered cyanobacterial species won't be taking over any ponds, or the world, anytime soon. While the improved organisms excel at photosynthesis in a lab setting, they're ill prepared to compete with other bacteria. Because they were stripped of four genes, they're not as flexible as their natural cousins.
"Cyanobacteria have adapted to live in ponds that are drenched by sun, blanketed by shade, frozen solid in the winter, not to mention the other organisms with which they have to compete to survive," Kerfeld said. "We've restricted ours and their ability to grow; they no longer have all of the tools to compete, much less dominate, in the natural environment."
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