미국 연구진이 유전자 변형을 통해 오폐수에 포함된 메틸잔틴계 화합물(methylxanthines)을 분해할 수 있는 박테리아를 만들었다. 메틸잔틴계 화합물은 최근 사용량이 급격하게 증가하면서 이를 생산하고 소비하는 과정에서 수질오염를 일으키고 있는 물질이다.

이로써 메틸잔틴계 화합물을 오폐수로부터 제거하는 정화 기술과 메틸잔틴계 화합물로 인한 오염을 확인할 수 있는 분석기술의 개발도 가능해질 전망된다.

‘카페인(caffeine)’은 가장 대표적인 메틸잔틴계 화합물이다. 카페인은 우리가 먹고 마시는 식품은 물론이고 의약품에서 쓰이는 물질이다. 커피, 녹차, 홍차처럼 식품 자체가 카페인을 다량 함유하고 있는 것도 있고, 탄산음료나 최근 유행하고 있는 에너지음료처럼 인위적으로 카페인을 첨가한 식품도 있다.

카페인은 의약품에도 사용된다. 테오필린(theophylline)이나 독시필린(doxiphylline) 같은 물질은 천식이나 기타 폐질환 치료제로 쓰이는 물질인데, 화학적 구조적로 따지면 카페인의 사촌쯤 되는 대표적인 메틸잔틴계 화합물이다. 메틸잔틴계 화합물의 소비가 늘면서 이를 생산하고 사용하는 과정에서 메틸잔틴계 화합물로 인한 환경오염도 자연히 증가하고 있는 추세이다.

생물학적 방법으로 오폐수를 정화하는 방법은 지속가능성과 에너지 효율이 높고 환경 친화적인 방법이다. 하지만 카페인 같은 메틸잔틴계 화합물을 분해할 수 있는 미생물은 많지 않기 때문에 메틸잔틴계 화합물로 오염된 물은 생물학적인 방법으로 처리되기 어렵다. 물론 메틸잔틴계 화합물을 분해할 수 있는 미생물이 전혀 없는 것은 아니다.

얼마 전 발견된 슈도모나스 푸디다 CBB5(pseudomonas putida CBB5; 이하 ‘p. CBB5`)라는 박테리아는 특유의 효소로 카페인을 이산화탄소와 암모니아로 분해해서 생명유지에 필요한 에너지를 만든다. 이 박테리아는 오로지 ‘카페인’만을 먹고 산다. 하지만 이러한 세균은 매우 드물기 때문에 효과적으로 이용하기 어렵다.

본 연구를 수행한 미국 텍사스대학(The University of Texas at Austin) 제프리 E. 배릭 교수 연구진은 슈도모나스 푸디다 CBB5가 카페인 분해에 사용하는 유전자 정보를 대장균에 옮겨 심어 카페인 분해 능력을 갖춘 ‘유전자 변형 대장균’을 탄생시켰다.

대장균은 배양과 취급이 쉽기 때문에 여러 가지 용도로 사용하기 좋다. 슈도모나스 푸디다 CBB5와 이 박테리아의 독특한 능력을 전수 받은 유전자 변형 대장균은 카페인에 의존해서 살아가야 하기 때문에 카페인이나 다른 메틸잔틴계 화합물이 없으면 성장할 수 없다. 이러한 사실은 이러한 박테리아를 여러 가지 용도로 활용할 수 있다는 것을 의미한다.

첫째, 유전자 변형 대장균은 카페인이나 메틸잔틴계 의약품으로 오염된 폐수정화에 활용될 수 있다. 유전자 변형 대장균으로 커피나 홍차 등을 생산하고 이를 이용한 가공식품을 제조하는 곳에서 발생하는 오염물질의 처리가 가능하다는 것이다.

둘째, 커피 생산과정에서 발생하는 폐기물에서 사람에게 유용한 성분이 풍부한 부산물을 얻어내는 공정에 적용할 수 있다. 이 공정에 유전자 변형 대장균을 사용하면 복잡한 카페인제거공정(decaffeination)을 거치지 않고도 쉽고 경제적으로 유용한 부산물을 얻을 수 있다.

셋째, 카페인을 비롯한 메틸잔틴계 화합물에 의한 오염을 확인할 수 있는 분석 수단으로도 사용 가능하다. 유전자 변형 대장균은 메틸잔틴계 화합물만을 먹이로 삼기 때문에 카페인을 포함한 메틸잔틴계 화합물이 없는 환경에선 증식이 불가능하지만 이 물질로 오염된 폐수에선 잘 자라게 된다. 따라서 이를 이용하면 오염 여부를 쉽게 확인할 수 있는 센서의 개발도 가능하다는 이야기다.

지금은 슈도모나스 푸디다 CBB5의 유전적 재능을 대장균에게 옮겨 심어서 대장균을 일꾼으로 부려먹는 수준이지만, 슈도모나스 푸디다 CBB5가 카페인을 분해할 때 사용하는 효소와 관련된 연구가 좀 더 진행된다면 의약품 같은 고부가가치 정밀화학제품 생산 공정에 적용 가능한 인공효소(촉매)가 탄생할지도 모를 일이다.

본 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 ACS 합성생물학(Synthetic Biology) 저널 온라인 속보판(ASAP)에 게재되었다.

 

 

Jeffrey E. Barrick and colleagues note that caffeine and related chemical compounds have become important water pollutants due to widespread use in coffee, soda pop, tea, energy drinks, chocolate and certain medications.

These include prescription drugs for asthma and other lung diseases. The scientists knew that a natural soil bacterium, Pseudomonas putida CBB5, can actually live solely on caffeine and could be used to clean up such environmental contamination. So they set out to transfer genetic gear for metabolizing, or breaking down, caffeine from P. putida into that old workhorse of biotechnology, E. coli, which is easy to handle and grow.

The study reports their success in doing so, as well as use of the E. coli for decaffeination and measuring the caffeine content of beverages. It describes development of a synthetic packet of genes for breaking down caffeine and related compounds that can be moved easily to other microbes. When engineered into certain E. coli, the result was bacteria literally addicted to caffeine.

The genetic packet could have applications beyond environmental remediation, the scientists say, citing potential use as a sensor to measure caffeine levels in beverages, in recovery of nutrient-rich byproducts of coffee processing and for the cost-effective bioproduction of medicines.

More information: Decaffeination and Measurement of Caffeine Content by Addicted Escherichia coli with a Refactored N-Demethylation Operon from Pseudomonas putida CBB5, ACS Synth. Biol., DOI: 10.1021/sb4000146 Abstract The widespread use of caffeine (1,3,7-trimethylxanthine) and other methylxanthines in beverages and pharmaceuticals has led to significant environmental pollution. We have developed a portable caffeine degradation operon by refactoring the alkylxanthine degradation (Alx) gene cluster from Pseudomonas putida CBB5 to function in Escherichia coli.

In the process, we discovered that adding a glutathione S-transferase from Janthinobacterium sp. Marseille was necessary to achieve N7-demethylation activity. E. coli cells with the synthetic operon degrade caffeine to the guanine precursor, xanthine. Cells deficient in de novo guanine biosynthesis that contain the refactored operon are ″addicted″ to caffeine: their growth density is limited by the availability of caffeine or other xanthines.

We show that the addicted strain can be used as a biosensor to measure the caffeine content of common beverages. The synthetic N-demethylation operon could be useful for reclaiming nutrient-rich byproducts of coffee bean processing and for the cost-effective bioproduction of methylxanthine drugs.