국내 연구진이 에탄(C2H6)을 온실가스 감축과 바이오플라스틱 생산에 활용할 수 있는 가능성을 제시했다.
KAIST는 건설 및 환경공학과 명재욱 교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대와 공동연구를 진행해 천연가스의 주요 부성분인 에탄이 '편성 메탄산화균(Methylosinus trichosporium OB3b)'의 핵심 대사에 미치는 영향을 규명했다고 7일 밝혔다.
메탄산화균은 산소가 있는 조건에서 메탄을 에너지원으로 생장하는 세균이다.
이중 '편성 메탄산화균'은 메탄이나 메탄올 등 C1 화합물만을 성장 기질로 활용하는 것이 특징이다.
이 때문에 기존에는 편성 메탄산화균이 비(非)성장 기질인 에탄에 어떻게 반응하는지에 관한 연구는 이뤄지지 않았다.
반면 공동연구팀은 이번 연구로 C2 기질인 에탄이 성장 기질로 사용되지 않음에도 불구하고 편성 메탄산화균의 메탄 산화와 세포 성장, 생분해성 고분자인 폴리하이드록시부티레이트(Polyhydroxybutyrate·이하 PHB) 합성 등 주요 대사 경로에 유의미한 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다.
다양한 메탄 및 산소 농도 조건에서 에탄을 첨가해 메탄산화균을 배양했을 때 ▲세포 성장 억제 ▲메탄 소비 감소 ▲PHB 합성 증가의 세 가지 대사 반응이 일관되게 확인된 것이다.
무엇보다 이러한 변화는 에탄 농도가 증가할수록 더욱 두드려졌다.
이를 놓고 볼때 에탄은 메탄산화균에서 단독으로 반응하지 않으며, 세균 역시 에탄만 주어졌을 때는 성장하지 않는다.
반대로 메탄과 함께 할 때는 메탄을 산화하는 핵심 효소 '입자상 메탄모노옥시게네이스(pMMO)'를 통해 에탄이 함께 산화되는 '동시 산화(co-oxidation)' 현상이 관찰됐다.
메탄은 이산화탄소(CO₂)보다 25배가량 강한 온실가스로 기후변화 대응에서 가장 시급한 감축 대상 중 하나다.
바꿔 말하면 에탄을 이용해 메탄을 동시 산화하는 것으로 온실가스 감축이 가능할 것으로 추론된다.
또 다른 측면에서 에탄은 산화되는 과정에서 생성되는 중간 대사산물 '아세테이트(acetate)'가 메탄산화균의 세포 성장을 억제하는 동시에 PHB 생산을 촉진하는 것으로 나타났다.
PHB는 생분해성 바이오플라스틱의 원료로 주목받는 고분자 물질로 에탄을 이용한 바이오플라스틱 생산이 가능할 것으로 기대된다.
이러한 작용은 균이 처한 영양 상태에 따라 상반된 양상을 보인다.
영양이 충분한 상태에서는 에탄이 세포 성장에 부정적인 영향을 미치지만 영양 불균형 상태에서는 오히려 PHB 축적을 유도해 긍정적인 효과를 나타낸다.
또 에탄을 첨가했을 때 메탄의 소비량은 감소하지만, 메탄 분해 효소인 pMMO를 구성하는 pmoA 유전자의 발현량에는 유의미한 변화가 없었다.
이는 에탄이 유전자의 전사(transcription) 수준에서는 영향을 미치지 않으며, 대신 효소의 실제 작동 능력(활성 수준)이나 전사 이후 조절 단계에서 영향을 준다는 사실을 입증한다.
이를 토대로 공동연구팀은 에탄이 메탄산화균의 대사 흐름을 간접적으로 조절하는 조절자 역할을 하며, 메탄과 함께 있을 때 의도치 않은 방식으로 세포 성장과 PHB 생산에 영향을 미친다는 분석 결과를 내놨다.
명재욱 교수는 "이번 연구는 '편성 메탄산화균'이 단일 기질 환경이 아닌 에탄과의 복합 기질 조건에서 어떻게 대사적으로 반응하는지를 체계적으로 규명한 최초의 사례라는 점에서 의미를 갖는다"며 "공동연구팀은 에탄처럼 비성장 기질이 메탄 대사와 생분해성 고분자 생산에 미치는 영향을 밝힘으로써 생물학적 메탄 저감은 물론 바이오플라스틱의 생산에 새로운 가능성을 제시했다"고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단, 국토교통부, 해양수산부의 지원을 받아 KAIST 건설 및 환경공학과 박사과정 박선호 학생이 제1 저자로 참여해 진행했다.
연구 결과(논문)는 지난달 10일 미국 미생물학회(American Society for Microbiology) 학회지 '응용 환경미생물학(Applied and Environmental Microbiology)'에 게재됐다.
대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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