우지은
(Institute of Agriculture & Life Science (IALS), Department of Agricultural Chemistry and Food Science Technology, Division of Applied Life Science Technology (BK21 Plus), Gyeongsang National University)
,
장유신
(Institute of Agriculture & Life Science (IALS), Department of Agricultural Chemistry and Food Science Technology, Division of Applied Life Science Technology (BK21 Plus), Gyeongsang National University)
최근 미생물을 이용하여 목질계 바이오매스로부터 에탄올, 부탄올, 2,3-부탄디올과 같은 바이오 알코올을 생산하고자 하는 관심이 매우 높아져 있다. 하지만, 목질계 바이오매스의 전처리 과정에서 높은 비용이 발생함과 동시에 리그닌과 같은 이용하지 못하는 성분들이 상당부분을 차지하는 문제점들이 노출되고 있다. 이와 같은 문제 해결을 위하여 바이오매스를 합성가스로 전환하고, 이들을 이용하여 바이오 알코올을 생산하는 전략이 새로운 대안으로 부상하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 합성가스를 이용하는 미생물인 아세토젠(acetogen)을 소개하고, 이들의 중심대사회로인 우드-륭달 대사회로(Wood-Ljungdahl pathway)를 리뷰하였다. 또한, 최근 합성가스로부터 바이오 알코올을 생산하기 위한 대사공학 연구 전략을 리뷰하고, 향후 연구 방향을 전망하였다.
최근 미생물을 이용하여 목질계 바이오매스로부터 에탄올, 부탄올, 2,3-부탄디올과 같은 바이오 알코올을 생산하고자 하는 관심이 매우 높아져 있다. 하지만, 목질계 바이오매스의 전처리 과정에서 높은 비용이 발생함과 동시에 리그닌과 같은 이용하지 못하는 성분들이 상당부분을 차지하는 문제점들이 노출되고 있다. 이와 같은 문제 해결을 위하여 바이오매스를 합성가스로 전환하고, 이들을 이용하여 바이오 알코올을 생산하는 전략이 새로운 대안으로 부상하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 합성가스를 이용하는 미생물인 아세토젠(acetogen)을 소개하고, 이들의 중심대사회로인 우드-륭달 대사회로(Wood-Ljungdahl pathway)를 리뷰하였다. 또한, 최근 합성가스로부터 바이오 알코올을 생산하기 위한 대사공학 연구 전략을 리뷰하고, 향후 연구 방향을 전망하였다.
Cellulosic alcohol fermentation has recently gained more attention in the production of ethanol, butanol, and 2,3-butanediol. However, it was revealed that the process had several hurdles, such as, an expensive cost for biomass decomposition to yield fermentable sugars and a production of byproduct ...
Cellulosic alcohol fermentation has recently gained more attention in the production of ethanol, butanol, and 2,3-butanediol. However, it was revealed that the process had several hurdles, such as, an expensive cost for biomass decomposition to yield fermentable sugars and a production of byproduct lignin. As an alternative for the process through biomass saccharification, the alcohol production through syngas from biomass has been studied. In this study, we reviewed acetogen and its central metabolic pathway, Wood-Ljungdahl route, capable of utilizing syngas. Furthermore, the metabolic engineering strategies of acetogen for bio-alcohol production from syngas was also reviewed with a brief perspective.
Cellulosic alcohol fermentation has recently gained more attention in the production of ethanol, butanol, and 2,3-butanediol. However, it was revealed that the process had several hurdles, such as, an expensive cost for biomass decomposition to yield fermentable sugars and a production of byproduct lignin. As an alternative for the process through biomass saccharification, the alcohol production through syngas from biomass has been studied. In this study, we reviewed acetogen and its central metabolic pathway, Wood-Ljungdahl route, capable of utilizing syngas. Furthermore, the metabolic engineering strategies of acetogen for bio-alcohol production from syngas was also reviewed with a brief perspective.
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문제 정의
이와 같은 문제 해결을 위하여 바이오매스를 합성가스로전환하고, 이들을 이용하여 바이오 알코올을 생산하는 전략이 새로운 대안으로 부상하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 합성가스를 이용하는 미생물인 아세토젠(acetogen)을 소개하고, 이들의 중심대사회로인 우드-륭달 대사회로(Wood-Ljungdahl pathway)를 리뷰하였다. 또한, 최근 합성가스로부터 바이오 알코올을 생산하기 위한 대사공학 연구 전략을 리뷰하고, 향후 연구 방향을 전망하였다.
합성가스로부터 바이오 알코올을 생산하기 위해서는 일산화탄소를 탄소원으로써 이용 가능한 대사회로를 가진 미생물이 필요하다. 본 고에서는 일산화탄소 및 이산화탄소를 탄소원으로, 수소를 환원력 공급원으로 이용 가능한 아세토젠(acetogen) 미생물들과 우드-륭달 대사회로를 소개하고, 이 대사회로를 통하여 바이오 알코올을 생산하기 위하여 사용된 최신 균주 개발 전략을 리뷰하고자 한다.
앞서 언급한 것과 같이, 최근 바이오화합물 생산에 우드-륭달 대사회로 및 아세토젠을 이용하기 위한 노력과 연구들이 활발히 진행되고 있다. 본 섹션에서는 우드-륭달 대사회로를 통하여 이산화탄소 또는 일산화탄소를 에탄올, 부탄올, 2,3-부탄디올로 전환하기 위한 미생물 개발 대사공학 전략들을 정리하였다.
바이오리파이너리는 바이오매스로부터 미생물 등의 촉매를 이용하여 바이오연료와 바이오화합물 등을 생산하는 기술로 알려져 있다(Zverlov 등, 2006; Tracy 등, 2012). 즉, 석유자원을 시추하여 정제 및 촉매반응을 통하여 생산하던 다양한 용도의 화합물들을 바이오매스로부터 생산하고자 하는 개념이다. 특히, 바이오 알코올인 에탄올 및 부탄올의 경우는 바이오 연료로써, 그리고 2,3-부탄디올을 포함한 앞서 언급한 바이오 알코올 모두는 기초 유분 대체제로도 큰 관심을 끌고 있다(Straathof 2014).
제안 방법
AdhE 효소의 aldehyde dehydrogenase의 기능을 상실케하는 돌연변이를 통하여, alcohol dehydrogenase로써 기능만 할 수 있도록 하였다(Liew 등, 2017). Acetyl-CoA가 아세트산으로 먼저 생합성 된 후 AOR이 촉매하는 반응을 통하여 acetaldehyde로 전환 가능하며, 최종 에탄올로의 전환 반응은 돌연변이된 AdhE 효소가 매개하도록 대사회로를 재구성하였다. 그 결과 대사공학을 통하여 재조합된 C.
ljungdahlii의 경우는 외부로부터 부탄올 생합성 대사회로를 도입함으로써 합성가스로부터 부탄올 생산 균주로 개발될 수 있었다(Kopke 등,2010). Acetyl-CoA로부터 부탄올 생합성을 위하여 필요한 효소들인 thiolase, 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase, crotonase, butyryl-CoA dehydrogenase, butanol/butyraldehyde dehydrogenase, butanol dehydrogenase를 각각 암호화하는 thlA, hbd, crt, bcd,bdhA, adhE2 유전자들을 C. acetobutylicum으로부터 도입하였다. 이들 유전자의 발현은 부티르산 생합성대사회로에 관여하는 ptb프로모터를 이용하였고, 전사종결자는 아세톤 생합성 경로에 있는 adc 유전자의 것을 사용하였다(Kopke 등, 2010).
해당 연구에서는 배지에 포함되는 미량원소들의 농도를 최적화하고, 전통적으로 많이 사용되던 MES 완충용액을 배지성분에서 제거하였으며, N과 P의 농도를 최적화 하였다(Phillips등, 2015). 더욱 중요한 것은 탄소원으로써 사용하는 일산화탄소가 저해 역할을 하기 때문에 이들의 농도와 배지 속으로 녹아들어가는 정도를 조절하고 최적화 하였다. 최적 가스 공급 조건은 307 kPa에서 CO:H2:CO2의 비율이 70:20:10이며, 이 조건에서 앞서 언급한 1.
1 g/L까지 달성할 수 있는 것으로 보고하고 있다(Phillips 등,2015). 해당 연구에서는 배지에 포함되는 미량원소들의 농도를 최적화하고, 전통적으로 많이 사용되던 MES 완충용액을 배지성분에서 제거하였으며, N과 P의 농도를 최적화 하였다(Phillips등, 2015). 더욱 중요한 것은 탄소원으로써 사용하는 일산화탄소가 저해 역할을 하기 때문에 이들의 농도와 배지 속으로 녹아들어가는 정도를 조절하고 최적화 하였다.
이론/모형
acetobutylicum으로부터 도입하였다. 이들 유전자의 발현은 부티르산 생합성대사회로에 관여하는 ptb프로모터를 이용하였고, 전사종결자는 아세톤 생합성 경로에 있는 adc 유전자의 것을 사용하였다(Kopke 등, 2010). 이렇게 재조합된 C.
후속연구
즉, 이들 아세토젠은 이산화탄소 및 일산화탄소로부터 최종 아세트산 및 에탄올을 생산할 수 있으며, 이들 화합물들은 acetyl-CoA 생합성 경로를 거쳐서 만들어진다. 따라서, acetyl-CoA를 전구체로하여 생합성 가능한 바이오화합물의 생산에 숙주로써 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 하지만, 바이오 알코올 생산을 위한 균주로 개발함에 있어서는 수율 향상을 위하여 부산물인 아세트산 생합성 경로의 조절이 필요할 것으로 판단된다.
2010년 이후 일부 아세토젠의 게놈서열이 계속 밝혀지고 있으며, 이들 정보를 이용하여 게놈 수준의 네트워크 모델들이 개발되었거나 개발되고 있다. 또한, 대사공학을 위한 게놈 편집 기술들이 개발되고 있어 추후 게놈수준에서 재조합된 균주들이 조만간 보고될 것으로 전망한다. 한편, 이와 같은 우드-륭달 대사회로를 기존에 개발된 바이오 알코올 생합성 균주에 도입하여 합성가스로부터 고효율로 바이오 알코올을 생산할 수 있는 균주개발 전략의 개발도 필요할 것으로 전망한다.
따라서, 본 연구에서는 합성가스를 이용하는 미생물인 아세토젠(acetogen)을 소개하고, 이들의 중심대사회로인 우드-륭달 대사회로(Wood-Ljungdahl pathway)를 리뷰하였다. 또한, 최근 합성가스로부터 바이오 알코올을 생산하기 위한 대사공학 연구 전략을 리뷰하고, 향후 연구 방향을 전망하였다.
에탄올은 미국과 브라질에서 바이오연료로 사용되고 있으며, 국내에서는 고급휘발유의 옥탄가를 맞추기 위한 용도로 일부 사용하고 있다(Jang 등, 2012a). 뿐만 아니라, 코카콜라 등에서 사용하고 있는 plant bottle의 제조에도 일부 사용되고 있어 향후 바이오화합물로써 사용처가 확대될 것으로 전망되고 있다. 전분이나 사탕수수로부터 유래한 당을 이용한 Saccharomyces cerevisiae 에탄올 발효기술은 100년 이상된 공정이 잘 개발되어 있다.
ljungdahlii의 아세토인으로부터 2,3-부탄디올로의 전환반응을 촉매하는 것으로 보고하고 있다(Tan 등,2015). 아직까지는 아세토젠에서 2,3-부탄디올을 생성하기 위한대사공학적 균주개량 연구 결과가 없으나 2,3-부탄디올 생합성에 관련된 효소들과 반응에 대한 연구들이 본격적으로 진행됨에 따라, 앞으로 개발이 활발히 진행될 것으로 보인다.
따라서, acetyl-CoA를 전구체로하여 생합성 가능한 바이오화합물의 생산에 숙주로써 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 하지만, 바이오 알코올 생산을 위한 균주로 개발함에 있어서는 수율 향상을 위하여 부산물인 아세트산 생합성 경로의 조절이 필요할 것으로 판단된다.
또한, 대사공학을 위한 게놈 편집 기술들이 개발되고 있어 추후 게놈수준에서 재조합된 균주들이 조만간 보고될 것으로 전망한다. 한편, 이와 같은 우드-륭달 대사회로를 기존에 개발된 바이오 알코올 생합성 균주에 도입하여 합성가스로부터 고효율로 바이오 알코올을 생산할 수 있는 균주개발 전략의 개발도 필요할 것으로 전망한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오 알코올 생산을 위한 바이오매스로 활용하기 쉬운 재료는?
바이오 알코올 생산을 위한 바이오매스로 활용하기 가장 쉬운 재료는 전분과 설탕이다. 그 이유는 바이오 알코올을 생산하는 미생물들이 가장 잘 이용할 수 있는 포도당 또는 자당(sucrose)을 쉽게 확보할 수 있기 때문이다.
바이오리파이너리가 관심을 끌고 있는 이유는?
즉, 석유자원을 시추하여 정제 및 촉매반응을 통하여 생산하던 다양한 용도의 화합물들을 바이오매스로부터 생산하고자 하는 개념이다. 특히, 바이오 알코올인 에탄올 및 부탄올의 경우는 바이오 연료로써, 그리고 2,3-부탄디올을 포함한 앞서 언급한 바이오 알코올 모두는 기초 유분 대체제로도 큰 관심을 끌고 있다(Straathof 2014).
바이오리파이너리는 무엇인가
기후변화에 대응하기 위한 목적으로 바이오에너지 및 바이오화합물 생산을 위한 바이오리파이너리 기술들이 하나의 대안으로써 주목 받고 있다(Anbarasan 등, 2012; Jang 등, 2012c; Clomburg 등, 2017). 바이오리파이너리는 바이오매스로부터 미생물 등의 촉매를 이용하여 바이오연료와 바이오화합물 등을 생산하는 기술로 알려져 있다(Zverlov 등, 2006; Tracy 등, 2012). 즉, 석유자원을 시추하여 정제 및 촉매반응을 통하여 생산하던 다양한 용도의 화합물들을 바이오매스로부터 생산하고자 하는 개념이다.
참고문헌 (33)
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