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바이오 뷰탄올 핵심 생산 효소인 싸이올레이즈의 구조 및 특성 규명
싸이올레이즈 구조와 특성을 이용한 새로운 대사회로 구축해 바이오 뷰탄올 생산 효율 향상시킬 수 있을 것으로 예상해
[412호] 2015년 11월 03일 (화) 이승호 기자 konglsh@kaist.ac.kr

생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀이 바이오 뷰탄올을 생산하는 주요 효소의 특성을 규명했다. 이번 연구는 차세대 친환경 에너지로 주목받고 있는 바이오 뷰탄올 생산 효율 향상에 도움이 될 것으로 보인다. 관련 논문은 지난 9월 22일<네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>에 게재되었다.

 

많은 장점을 가지는 바이오 뷰탄올
바이오 뷰탄올(bio-butanol)이 차세대 바이오 연료*로 주목받는 이유는 기존에 바이오 연료로 이용하던 바이오 에탄올(bio-ethanol)에 비해 장점이 많기 때문이다. 그중 가장 큰 장점은 바이오 뷰탄올의 기화열, 공기 연료비 등 연료 성능이 휘발유와 비슷해 현재 사용되는 휘발유 엔진을 그대로 이용할 수 있다는 점이다. 또한, 바이오 뷰탄올은 바이오 에탄올과 달리 공기 중 수분을 흡수하지 않기 때문에 연료를 관리하기 편하다. 부피 당 발생 에너지양을 나타내는 에너지 밀도 또한 바이오 뷰탄올이 바이오 에탄올의 1.5배로 더 높은 수치를 보인다. 또한, 에탄올과 달리 뷰탄올은 폐목재, 볏짚, 잉여 사탕수수, 해조류 등 비식용 바이오 매스에서 추출하기 때문에 식량 파동에도 자유롭다. 이러한 장점을 갖고 있지만, 바이오 뷰탄올은 바이오에탄올보다 생산 효율이 떨어져 상용화되지 못했다.

뷰탄올 생산 효소 구조 발견해
이 교수팀은 바이오 뷰탄올을 생산하는 데 중요한 역할을 하는 효소인 싸이올레이즈(Thiolase)의 구조와 작용 원리를 밝혀냈다. 먼저 경북대학교 김경진 교수 연구팀이 포항방사광가속기를 이용하여 싸이올레이즈의 3차원 입체구조를 알아냈다. 이를 바탕으로 이 교수팀이 실험을 통해 싸이올레이즈의 역할을 알아냈다. 산화 조건에서 싸이올레이즈의 반응을 다른 효소의 반응과 비교하여, 이 효소가 미생물 내에서 산화-환원 스위치 역할을 한다는 사실을 발견한 것이다.

 

   
▲ 싸이올레이즈 산화-환원 스위치의 작동 원리 | 이상엽 교수 제공

산화-환원 스위치 역할하는 효소
바이오 뷰탄올은 클로스트리듐(Clostridium)이라는 미생물의 물질대사 과정에서 생산된다. 클로스트리듐은 에너지를 얻기 위한 대사과정에서 아세트산이나 뷰티르산 등 부산물을 생산한다. 그 결과, 주변 환경이 산성을 띠어 클로스트리듐이 생존하기 어려운 환경이 된다. 이를 해결하기 위해 클로스트리듐은 산을 합성하여 뷰탄올을 만든다.
즉, 클로스트리듐의 대사 과정에는 에너지를 얻고 산을 부산물로 생산하는 비활성 상태와 산을 합성하여 뷰탄올을 만드는 활성 상태, 이 두 가지가 있다. 클로스트리듐은 주변에 산화제**가 많으면 이를 중화할 산이 필요하므로 비활성 상태, 반대로 산화제가 없을 경우에는 주변의 산을 줄이기 위해 활성 상태가 된다. 이때 클로스트리듐의 효소인 싸이올레이즈가 이 두 가지 상태를 조절하는 역할, 즉 산화-환원 스위치 역할을 한다.

바이오 뷰탄올 생산 효율 향상해
이 교수팀은 알아낸 싸이올레이즈의 구조를 이용해 바이오 뷰탄올 합성 효율이 향상된 효소를 설계했다. 설계된 효소는 바이오 뷰탄올을 생산하는 미생물의 대사회로를 조작하는 데 이용되었다. 새롭게 설계된 대사회로는 바이오 뷰탄올의 생산 효율을 향상시켰다.

 

이번 연구는 바이오 뷰탄올의 생산 효율을 높여 바이오 뷰탄올의 상용화에 이바지한다는 점에서 의의를 가진다. 이 교수는 “바이오 뷰탄올 합성 과정에서 가장 중요한 효소의 구조와 작용 원리를 밝혔다”라며 “싸이올레이즈 관련 기술을 바이오 뷰탄올을 경제적으로 생산하는데 응용하겠다”라고 계획을 밝혔다.

 

바이오 연료*
곡물이나 식물, 나무, 해조류, 축산폐기물 등 바이오 매스에서 얻은 연료.

산화제**
산화 환원 반응에서 자신은 환원되면서 상대 물질을 산화시키는 물질.

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