초록 ▼

□연구개요
메탄(CH₄)과 아산화질소는(N₂O)는 강력한 온실가스이며, 특히 N₂O는 성층권의 오존층을 파괴하는데 가장 큰 기여를 하는 기체이기도 하다. 메탄산화균은 pMMO라는 효소에 의해 메탄이 메탄올로 산화되며 pMMO의 활성을 위해서는 다량의 구리를 필요로 하는데, 구리를 체내로 흡수하기 위해서 메타노박틴이라는 킬레이트제를 합성하여 활용한다. 또한, 구리는 자연환경에서의 탄소, 질소 등의 물질 순환의 제어에 큰 영향을 미치는 금속이며, 특히 질소순환의 amoA

□연구개요
메탄(CH₄)과 아산화질소는(N₂O)는 강력한 온실가스이며, 특히 N₂O는 성층권의 오존층을 파괴하는데 가장 큰 기여를 하는 기체이기도 하다. 메탄산화균은 pMMO라는 효소에 의해 메탄이 메탄올로 산화되며 pMMO의 활성을 위해서는 다량의 구리를 필요로 하는데, 구리를 체내로 흡수하기 위해서 메타노박틴이라는 킬레이트제를 합성하여 활용한다. 또한, 구리는 자연환경에서의 탄소, 질소 등의 물질 순환의 제어에 큰 영향을 미치는 금속이며, 특히 질소순환의 amoA (NH₄⁺ 산화효소), nirK (NO₂^-를 NO로 환원시키는 효소)와 nosZ (N₂O를 N₂로 환원시키는 효소)는 생체이용가능한 구리의 양에 직접적인 영향을 받는 대표적인 효소들로, 이들의 활성은 토양의 탈질화(질소 유실), 온실가스 배출(N₂O 발생)과 밀접한 관계를 갖는다.
본 연구에서는 nosZ의 반응에 초점을 맞춰 메타노박틴에 의해 구리 확보에 영향을 줄 것이며, 이에 따라 nosZ의 활성이 저하되면서 N₂O 환원반응이 저해되는 원인이 메타노박틴 때문임을 규명하여, 메탄산화균이 메타노박틴을 통해 온실가스(N₂O) 발생에 미치는 영향을 밝혔다.

□연구 목표대비 연구결과
1. 메탄산화균으로부터 메타노박틴을 정제하는 기술을 도입, 확보한다.
메탄산화균를 고농도로 배양한 후, 상등액을 Diaion HP 20 흡착제를 이용하여 컬럼 크로마토그래피에 메탄올을 통과시킨 뒤, 18 column이 장착된 HPLC를 이용하여 두 개의 peak를 확인하였다. 각 지점의 샘플을 LC-MS로 각각의 질량이 1216, 1154Da로 확인하였으며, 이를 통해, 각각 구리와 결합된 메타노박틴과 순수 메타노박틴임을 확인하였다.
2. 메탄산화균이 메타노박틴의 생성, 배출을 통해 탈질화균의 탈질화 반응으로 인한 온실가스(N₂O) 배출에 미치는 영향을 관찰, 분석한다.
메탄산화균(Methylosinus trichosporium)과 탈질화균(Pseudomonas stutzeri)의 co-culture에서 초기 NO₃^-의 약 85% 정도가 최종적으로 아산화질소로 환원되었으며, 메탄산화균으로부터 생성된 메타노박틴에 의해, N₂O 환원반응이 저해되었음을 확인하였다. 또한, 메탄산화균으로부터 생성된 순수 메타노박틴이 주입됨에 따라 다양한 탈질화균(Pseudomonas stutzeri, Dechloromonas aromatica)의 N₂O 환원반응이 저해되는 현상을 확인하였으며 이로부터 N₂O 발생량이 증가함을 확인하였다. 또한, 메타노박틴이 주입됨에 따라 탈질화균이 구리를 셀 표면 또는 셀 바이오매스 내부로 흡수하는 현상이 저해되었음을 확인하였고, nosZ 유전체 전사량이 약 3배 정도 감소하였음을 확인하여, 메타노박틴이 주입됨에 따라 N₂O 환원반응이 저해되고 N₂O 발생량이 축적되는 매커니즘을 규명하였다.
3. 토양의 탈질화, N₂O 환원반응에 대한 메타노박틴과 메탄산화균의 영향을 분석한다.
다양한 구리 농도를 갖는 토양에서 메타노박틴의 유무에 따른 탈질 반응을 관찰하여 메타노박틴에 의해 토양환경의 탈질화균의 N₂O 환원반응이 저해되는 현상을 확인하였고, 토양의 구리 농도에 따라 다르게 발생될 수 있음을 확인할 수 있었다. 0.5 % 메탄으로 연속적으로 주입하여 논 토양으로부터 메탄산화균을 배양해낸 후, 메탄산화균 배양액에 토양 탈질화균을 접종해주었을 때, 구리가 없는 조건에서는 전체 NO₃^-의 약 77.2 %에 해당되는 NO₂^-, 약 29.6 %에 해당되는 N₂O-N이 발생되었다가 약 10시간에 거쳐 환원되는 반면, 구리가 있는 조건 (Cu 2μM)에서는 N₂O 발생량이 거의 관찰되지 않았다. 따라서 토양으로 배양된 토양메탄산화균이 구리가 없는 조건에서 NO₂^-와 N₂O의 환원반응이 뚜렷하게 저해되어, NO₂^-와 N₂O 발생량이 증가되었음을 확인할 수 있었다.

□연구개발결과의 중요성
메탄산화균을 대량배양하여 메타노박틴을 높은 순도로 추출하는 기술을 성공적으로 도입하여 확보하였다.
국내에서 최초로 메타노박틴을 생산, 정제할 수 있는 연구실로 자리매김하게 되었으며 이는 아보메드(ArborMed)사와의 윌슨병 치료제 공동개발로 이어지고 있어서 과학적인 연구가 실제 ‘돈이 되는 연구’로 이어지는 좋은 사례가 될 가능성이 높다.
세계최초로 메탄산화균이 메타노박틴을 매개체로 하여 환경의 공통된 niche에 공존하는 미생물들의 반응에 영향을 미치는 현상을 발견하여 보고하였다. 이는 미생물생태학, 환경미생물학 분야에서 엄청난 획기적인 발견으로 결과의 참신성과 중요성이 입증되고 있다.
메탄산화균과 탈질화균의 순수배양체 간에 상호작용을 관찰하는데 그치지 않고 실제 토양의 미생물 군집내에서 in vitro에서 발견한 작용이 일어날 수 있는 가능성을 입증하였다는데서 매우 높은 가치를 갖는 완성도 높은 연구를 완성하였다. Ecophysiology와 computational biology를 적절히 조합한 신선한 형태의 미생물생태학 연구방법을 정립하였다.
토양 마이크로바이옴의 mbnABC operon을 최초로 metagenomics 분석기술을 이용하여 탐색하였으며, 이 HMMER 알고리즘과 mbnA를 타겟하는 프라이머 세트는 추후에도 많은 연구자들에 의해서 사용될 것으로 기대된다.

(출처 : 요 약 문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 16
• 4. 참고문헌 ... 16
• 5. 연구성과 ... 17
• 끝페이지 ... 19