더 큰 분자가 더 적은 교통 정체를 유발해 빠른 바이오메스 분해가 가능한 것으로 나타났다.

일본 도쿄대 연구진은 셀룰로오스에 부착되는 효소의 물리적 크기를 키우면 자연에서 반응을 매우 느리게하는 분자 혼잡도를 줄이는 것으로 보고했다. 이 연구는 바이오 연료 , 바이오케미컬( biochemical ) 생산을 촉진하는데 활용할 수 있다.

셀룰로오스는 잎, 짚 및 나무 줄기를 구성하는 긴 탄수화물이다. 이것은 식물 세포벽의 주요 구성 요소이며 화석 연료 대신 사용할 수 있는 에너지 대안이다.


셀룰라아제 동역학 개요. (a) 결정 셀룰로오스상의 셀룰라아제 분자의 개략도. (b) 분자들은 우선 비 생산적 결합에 의해 먼저 표면에 부착하고, 생산 결합을 완료 한 후에 반응을 시작한다. credit : Takahiro Ezaki와 Kiyohiko Igarashi

밀집 제거(crowding-out)효과 모식도. (a) 비생산적인 결합의 밀집 배제 효과는 생산적인 결합의 밀집 제거 효과보다 작기 때문에, 표면은 생산적 결합을 강하게 억제해 반응을 시작하는 비 생산 분자로 덮여있다. (b) 비생산적인 결합이 더 많은 공간을 필요로 할 때, 생산적 결합을 위해 충분한 빈 공간이 빈번하게 열리고 밀집 제거 효과가 발생하지 않는다. credit : Takahiro Ezaki와 Kiyohiko Igarashi.

그러나, 셀룰로오스는 분해하기가 어렵다. 특정 미생물과 곰팡이 만이 셀룰라아제 (cellulase)라고 불리는 효소를 사용해 긴 분자를 작은 당 분자로 분해 할 수 있다. 셀룰라아제 반응은 또한 느리게 진행되기로 악명 높다. 바이오 연료 및 생화학 물질을 생산하기 위한 원료 물질로 셀룰로오스의 산업적 이용을 방해한다.

연구자들은 셀룰라아제의 셀룰로오스 분해 등 운동을 연구해 왜 자연에서 반응이 느리게 일어나는지 원리를 밝혔다.

 물리 법칙에 따라, 연구팀은 더 간단한 모델로 실험 결과를 설명하려고 했다. 그럼에도 반응의 강력한 둔화는 쉽게 설명 할 수 없었다.

농업생명과학 분야 셀룰라아제 실험 전문가들은 첨단 과학기술연구센터( the Research Center for Advanced Science and Technology)의 분자 및 입자 동역학을 연구하는 물리학자들과 협력했다.

 연구원들은 수수께끼 인 실험 결과를 이해하는 열쇠가 많은 분자의 집단 행동에 있다고 결론 지었다. 그 결과는 실험자와 이론가 모두에게 상당히 흥미로웠다.

연구자들은 육안으로 볼 수 있는 중위범주, 미시적 및 거시적 레벨의 중간 수준에서 셀룰라아제 반응을 연구하는 과정에서 찾고 있던 해답을 발견했다.

1 억 개가 넘는 셀룰라아제 분자에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 분자들이 자연적으로 서로의 방식으로 결합해 실제로 서로 셀룰로오스와의 결합을 완료하고 분해하는 것을 막았다. 추가적인 컴퓨터 시뮬레이션에서, 효소의 특정 영역의 크기를 증대하면 셀룰라아제의 혼잡도가 완화돼 반응의 효율이 증대했다.

연구자들은 이러한 유형의 분자 교통 정체를 밀집 제거 효과(crowding-out effect)로 명명했다. 효소를 사용하는 반응은 자연에서 보편적이므로 연구진은 이 발견이 다른 관련 화학적 시스템에 적용될 수 있다.

 이 연구는 일본 문부 과학성, 일본 과학 기술기구 (JST), 비즈니스 핀란드 (BF) 및 아사히 글래스 재단에 의해 부분적으로 지원됐다.

https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/articles/z0508_00034.html