바이오연료(biofuel)를 고가로 만드는 한 가지 이유는 바이오매스가 셀룰로오스 다음으로 가장 풍부한 세포벽 원소인 헤미셀룰로오스(hemicellulose)의 효과적인 사용을 불가능하게 하는 발효에 사용되는 미생물에 있다.

 

미생물은 셀룰로오스(cellulose)에서 글루코오스로의 전환만 가능하게 하고, 따라서 이용할 수 있는 식물 재료의 절반 미만만 이용한다.

미국 일리노이 대학(U of I; University of Illinois) 소속의 미생물학자인 Isaac Cann은 사람들이 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스를 모두 사용할 수 있는 미생물을 공학적으로 제어하는 방안을 추구해 왔다고 밝혔다.

 

이러한 시도를 한 대부분의 시대에, 미생물이 다른 당을 이용할 수 있게 해주는 경로를 생성하기 위하여 유전자를 다른 위치에 배치하는 시도를 수행했다.

Cann과 U of I 미생물학자인 Rod Mackie는 이 문제를 해결하는데 이용될 수 있는 미생물에 대한 연구를 에너지 바이오과학 연구소(Energy Biosciences Institute)에서 수행했다.

장거리 주자인 Mackie는 1993년 Hoopeston, Ill에서 달리던 중 통조림 공장 쓰레기 더미에서 미생물을 발견했다. 그는 지면이 미생물 활성(microbial activity)으로 들끓는다는 것을 알아채고, 시료를 수거했다. 그와 당시 고등학교에 재학 중인 그의 아들인 Kevin은 시료로부터 미생물을 분리했다.

이러한 미생물은 나중에 Caldanaerobius polysaccharolyticus라고 명명되는 박테리아다. 우리는 이 미생물로부터 수많은 흥미로운 효소를 발견했다고 박사 후 연구원으로 Mackie 연구실로 오게 됐을 때, 이 프로젝트에 참여한 Cann은 밝혔다.

특별하게, 연구진이 제안한 Caldanaerobius polysaccharolyticus 박테리아는 가장 일반적인 헤미셀룰로오스인 크실란(xylan)을 분해하는데 필요한 모든 단백질과 효소를 함유하고 있었다. 이후 분해된 조각은 세포로 수송되어 세포의 대사 작용을 거친다. 이러한 모든 유전자는 미생물의 게놈 위에 단일 클러스터 형태로 배치되어 있었다.

조각이 여기저기로 이동하는 대신에 서로서로 꿰며져 있으며, 우리는 이것을 유전자의 일부로 얻을 수 있다고 Cann은 설명했다. 당신은 이것을 잘라서, 또 다른 미생물에 넣어줄 수 있다고 Cann은 설명했다.

 

 세포 표면 위에서 효소는 크실란을 작은 조각으로 자르고, 단백질은 잘려진 작은 조각을 서로 결합시켜, 세포 내부에서 이동시킨다. 세포 내에 있는 효소는 대사 작용을 거쳐 이것을 당으로 전환시킨다.

바이오연료를 만들 때 사용되는 다른 미생물과는 달리 이 미생물은 크실란 구조의 일부인 크실란의 곁가지(side chain) 또는 장식을 제거하는 효소를 포함하고 있기 때문에, 이 미생물은 크실란을 분해할 수 있다.

 

크실란의 곁가지 또는 장식은 효소가 당 사슬(sugar chain)로 완전하게 접근하는 가능성을 방해하여 분해 공정을 저해시킨다. 일단 곁가지가 제거되면, 미생물 내에 있는 다른 효소는 당 사슬을 단일 당 또는 크실로오스로 분해한다. 이후 세포 내에 있는 다른 효소는 크실로오스를 대사시킨다.

게놈 위에서 나란히 배치되어 있는 효소를 가지는 것은 미생물을 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스로 분해할 수 있도록 유전자 조작을 수행하고자 하는 과학자들에게 편리하다. 클러스터는 카세트처럼 고안되어 일반적으로 셀룰로오스만 분해할 수 있는 미생물에 배치된다.

게다가 나란히 배치되어 있는 효소는 효소들의 작용을 서로서로 효율적으로 일어나게 해준다. 당신이 함께 관여하는 효소의 모음을 가지고 있는 것이라고 Cann은 설명했다. 만약 이러한 효소들이 수백만 년에 걸쳐 함께 작용해왔다면, 이는 서로서로 미세하게 조정되어 왔음을 의미한다고 Cann은 덧붙였다.

Caldanaerobius polysaccharolyticus의 또 다른 장점은 이 박테리아가 호열성 박테리아(thermophilic bacterium)이며, 이 박테리아의 효소가 70 ℃처럼 높은 온도를 견딜 수 있다는 사실이다.

 

바이오연료 발효는 일반적으로 37℃에서 수행되고, 이러한 온도에서 대부분의 미생물이 생존할 수 있다. 이러한 사실은 발효통 내에 있는 재료가 쉽게 오염될 수 있다는 것을 의미한다.

다음 단계에서 Cann과 그의 동료 연구진은 이러한 아주 큰 유전자 클러스터(gene cluster)를 미생물에 전달하는 기술을 개발할 계획이다.