모든 생물이 성공적으로 살아남기 위해서는 재생산과 그를 위한 에너지를 가져야 한다. 유기체가 주변에서 경쟁자보다 더 잘 에너지를 추출하는 것은 생존의 핵심 요소다. 최근까지 생물학적으로 미생물에서 인간에 이르기까지 세포 대사와 생존에 필요한 에너지를 생산하고 보존하는 방법은 두 가지밖에 없는 것으로 생각되어 왔다.

이제 과학자들은 미생물이 플래빈 기반 전자 분기(flavin-based electron bifurcation, FBEB)라는 세 번째 방법으로 에너지를 생산한다는 것을 발견했다. 새로운 이 방법은 에너지를 생산하고 보존하는 고대 방식이지만 알려진 방식과는 너무 달라서 유기체가 에너지를 획득하는 방식에 대한 과학자들의 패러다임을 전환을 보여주고 있다. 어떻게 FBEB가 작동하는가는 생물 전자 이동 촉매(Biological Electron Transfer and Catalysis, BETCy) 에너지 선도 연구 센터가 돌파구를 마련하기 전까지는 알려지지 않았다. 이 연구에는 에너지부 산하 국가 신재생 에너지 연구소(NREL)의 카라 루브너, 데이비드 멀더, 폴 킹 등이 참여했다.

연구팀은 이전에 알려지지 않은 촉매 메커니즘의 특징을 연구하여 FBEB의 작동 방식에 대한 중요하고 포괄적인 통찰력을 얻었다. 가장 중요한 발견 중에 하나는 고유 플래빈 분자가 하나의 전구체로부터 두 가지 수준의 에너지를 생산하는 것이다. 하나는 쉬운 화학반응을 수행하는데 사용하고 더 에너지 수준이 높은 것은 고에너지 화합물을 형성하는 더 복잡한 화학반응에 사용한다. 이 두 가지 반응이 동시에 일어나 보통 낭비되는 에너지가 고에너지 화합물에서 보존되는 것이다.

FBEB는 생물체가 더 많은 에너지를 얻을 수 있게 하며 핵심은 고유 플래빈이 효소로 작용하여 에너지를 보존하는 화학작용을 하는 것이다. 이번 연구는 전자 분기에 대한 이해를 새롭게 하고 그 기능의 기반이 되는 메커니즘의 모델을 설정했다. 이 결과는 효율적인 연료 및 화학물질 생산을 위한 생물 시스템을 설계하고 전기 화학반응을 최적화하는 촉매 공정을 개발하는 새로운 전략을 수립하게 해줄 것이다. 분기의 생화학을 이해한다면 화학물질을 줄이고 바이오 연료를 더 높은 수준으로 생산할 수 있는 생체 공학 미생물에 대한 더 많은 정보에 입각한 전략을 가능하게 해준다.

이 연구의 세부사항은 자연 화학 생물학 저널의 “플래빈 기반 전자 분기에 의한 에너지 보존에 대한 메커니즘적 통찰"이라는 논문에서 찾을 수 있다. 이 논문 작성에는 NREL에 위치한 BETCy와 몬태나 주립대학, 애리조나 주립대학, 조지아 대학, 켄터키 대학의 연구진이 참여했다.

NREL의 과학자 데이비드 멀더는 분기 방법을 더 잘 이해한다면 미생물이 수행하는 중요한 화학작용에서 효율을 증가시킨 것과 동일하게 신소재나 촉매를 설계할 수 있다. 잠재적인 결과 중의 하나는 촉매작용의 부산물을 줄이는 것인데, 부산물은 주로 에너지 비효율 공정의 결과이기 때문에 산업공정에서 재료와 비용을 줄일 수 있다. 또한 살아 있는 세포의 내부에서 에너지 효율적인 경로를 이용하여 화합물, 연료, 수소 등을 효과적으로 생산할 수도 있다고 말했다.