효모는 이미 빵과 맥주는 물론 바이오 연료 에탄올을 추출하는데 도움을 준다. 과학자들은 효모를 활용해 이소 부탄올이라는 보다 효율적인 연료를 만들고 있다.

미국 프린스턴대 연구원들은 이소 부탄올 생산을 크게 증가 시키는 효모의 유전자 스위치를 발견했다.

셀 시스템(Cell Systems) 저널에 발표 된 연구 결과에 따르면 연구원들은 효모가 이소 부탄올(isobutanol)의 독성에 더 잘 견딜 수 있게 함으로써 이소 부탄올 생산량을 표준 효모 균주 보다 약 5배 증가할 수 있었다. 이소 부탄올은 에탄올보다 약 25 % 높은 에너지 밀도를 가지며 현재 에탄올 기반 연료보다 차량에 사용하기에 훨씬 더 적합하다. 바이오 연료는 석유 기반 연료에 대한 재생 가능하고 환경 친화적 인 대안이 될 수 있다.

credit: princeton.edu. /Frank Wojciechowski.

프린스턴 연구원들은 이소 부탄올에 대한 효모의 굶주림 반응에 관여하는 유전자를 확인했다. 이 유전자를 삭제하면 화학 물질에 대한 효모의 내성을 크게 향상시키는 것으로 나타났다. 효모는 이소 부탄올 농도가 높을 때 독성 영향을 차단하기 위해 자원을 재할당했다.

저자 조세 아발로스(José Avalos) 화학 및 생물 공학 조교수는 “놀랍게도 단일 유전자 결실은 효모 세포가 이소 부탄올을 굶주림 신호로 보도록 만드는 적응 메커니즘을 방해하기에 충분하다”며 “이 방법으로 설계된 세포는 에너지 대사를 유지하고 이소 부탄올로부터 자신을 보호하는 데 필요한 구성 요소를 형성하며 이소 부탄올을 계속 만들 수 있다”고 말했다.

전체적으로 유전자 조작된 효모 세포는 정상 효모보다 5배 많은 이소 부탄올을 생산했다. 기후 변화의 영향을 완화하기 위한 다양한 전략의 일환으로 재생 가능한 바이오 연료를 개발하는 유망한 접근이다.

아발로스는“기후 변화에 대처해 더 효율적으로 이소 부탄올을 생산하는 효모를 유전적으로 조작 할 수 있다는 것”이라며 “독성은 현재 도달 할 수 있는 농도를 제한하기 때문에 이소 부탄올 생산자들에게 가장 시급한 문제다”라고 말했다.

전 세계적으로 가장 일반적인 액체 바이오 연료인 에탄올 생산은 효모에 광범위하게 의존하고 있다. 이는 옥수수와 사탕 수수를 포함한 식물 공급 원료의 미생물 분해 부산물이다.

이소 부탄올 수율을 향상 하고자 아발로스와 그의 동료들은 수천 개의 균주의 유전자 라이브러리를 조사했다. 라이브러리는 효모 성장과 건강에 대한 각 결실의 영향을 문서화한다. 효모의 일부 균주(유전자 변이체)는 이소 부탄올 및 다른 알코올에 대해 자연적으로 더 큰 탄력성을 나타내며, 다른 균주는 탄력성이 현저히 떨어진다. 프린스턴 연구원들은 이러한 과민성 및 과민성 균주를 각각 조사했다.

이소 부탄올을 효모 세포에 전달하는 과정에는 ‘GLN3’ 유전자가 두드러졌다. 이소 부탄올은 효모가 자체 단백질을 섭취할 때 형성돼 영양소 부족을 나타낸다. 그러나,이 진화된 반응은 바이오 연료 생산의 맥락에서 잘못된 반응이다. 여기서 충분한 공급 원료가 실제로 존재하고 효모 세포의 주요 관심사는 세포 자체 뿐만 아니라 생산 환경에서 세포 자체와 다른 효모에 의해 분비되는 이소 부탄올 축적으로 인한 세포 손상을 막아야 한다.

아발로스는 “GLN3 유전자를 삭제하면 효모가 이러한 생산 저해 메시지를 듣지 못하게 된다”며 “이것은 효모가 이소 부탄올 독성 효과와 싸우고, 계속 자라고,  더 많은 이소 부탄올을 만들 수 있는 더 좋은 기회를 제공한다”고 말했다.

이소 부탄올은 에탄올보다 에너지 밀도가 높고 흡습성(물 흡수 능력)이 낮고 휘발성이 낮기 때문에 바이오 연료계에 큰 관심을 끌었다. 연료로서 이소 부탄올은 기존 가솔린 자동차 엔진에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 에탄올보다 보관 및 운송 인프라 호환이 쉽다. 가솔린 등 훨씬 더 많은 함량의 이소 부탄올과 연료 블렌드를 만들 수 있다. 무색의 가연성 액체는 항공기 추진을 위한 제트 연료로 업그레이드 될 수 있다.

연구에 참여하지 않은 위스콘신 대학교 매디슨 (Wisconsin-Madison)의 유전학 부교수 크리스 토드 히팅어(Chris Todd Hittinger)는 “에탄올과 달리, 고급 바이오 연료는 일반적으로 미생물에 의해 높은 수율로 생산하지 못했다. 고급 바이오 연료를 지속적으로 생산하기 위해서는 여기서 제시된 예상치 못한 경로의 유전 공학이 필요할 것”이라고 말한다.

아발로스와 동료들은 효모 세포를 이소 부탄올 공정에서 최적 엔지니어링하는 방법을 추가로 조사 할 계획이다.

아발로스는 “이 연구에서 우리가 보고한 발견은 매우 흥미롭고 영향력이 있지만 여전히 빙산의 일각일 가능성이 높다. 우리는 수천 개의 유전자가 이소 부탄올에 대한 효모 내성에 어떻게 영향을 미치는 지에 대한 정보를 가지고 있다. 이것은 잠재적 인 금광이며 앞으로 몇 년 동안 효모 내성에 대한 유용한 통찰력을 계속 제공 할 것”이라고 말했다.