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미 에너지부(DOE) 산하 NREL(National Renewable Energy Laboratory) 연구진이 세포 섬유소(cellulose)를 더 빨리 분해할 수 있는 곰팡이 효소의 부위를 알아내는데 성공했다. 학술지 #39;Nature Communications #39;에 실린 논문인 ldquo;Engineering enhanced cellobiohydrolase activity rdquo;에서 NREL은 세포 섬유소를 분해하는데 가수분해를 사용하는 효소인 곰팡이 CBH(cellobiohydrolase)에 대해 오랫동안 연구해 왔다고 밝혔다. 10년에 걸친 연구의 결과로 곰팡이 Trichoderma reesei (TrCel7A) 및 Penicillium funiculosum (PfCel7A)의 구조와 기능과의 관계를 더 잘 파악하게 되어 성능개선을 위해 변경해야 할 부분을 알 수 있게 되었다고 밝혔다. 자연 상태 및 산업공정 모두에서 CBH 계열 효소들은 세포섬유소를 가장 잘 분해하는 효소로 알려져 있다. 1일 생산량이 2,000톤인 셀루로우스 에탄올 공장의 경우 매년 5,000 톤에 달하는 효소를 사용하게 되는데 이 계열의 효소를 사용하면 사용량을 반으로 줄일 수 있게 된다. NREL 측은 이 핵심 효소 계열로부터 생촉매(biocatalyst) 현상을 이해하고 향상시키려는 노력이 지난 수 십년간 진행되어 왔으며 효소가 효과적일수록 더 적은 양의 효소를 사용해도 되고 이로 인해 공정 비용을 절감할 수 있다고 밝혔다. 2005년 NREL 연구자들은 다른 곰팡이인 PfCel7A로부터 CBH를 발견했으며 TrCel7A보다 60% 성능이 나았다. 이것은 산업체 표준보다 훨씬 나은 결과여서 이 결과를 확인하기 위해 많은 실험을 수행했다. 연구자들은 그 이유를 탐구했으며 구조적 차이를 이해하는 것이 더 나은 효소를 만드는 것임을 알게 되었다. 이를 활용하면 바이오연료나 생화학 제품의 생산비용을 줄일 수 있다. 몇 년을 더 연구해서 효소의 성능을 개선할 수 있는 부위를 알아낼 수 있는 장비를 개발했다. 이후 TrCel7A과 PfCel7A의 유사점을 고찰하기 시작했으며 차이점도 고찰했다. 두 효소 모두 3개의 영역으로 구성되어 있었다. 3개의 영역은 섬유소에 부착시키는 탄수화물 결합 분자, 섬유소를 분해하는 촉매 영역 및 이 두 영역을 결합하는 연결부 등이다. 연구진은 이들 영역을 서로 바꾸는 실험을 진행했고 2개의 부모 효소로부터 돌연변이 효소를 생산해 내서 라이브러리를 만들어 나갔다. 즉 2개의 효소로부터 3개의 영역을 바꿈으로써 총 8개의 조합을 만들어 낼 수 있다. 이는 어떤 영역이 효소의 분해성능을 향상시킬 수 있는가를 찾기 위한 것이었고 결국 촉매영역이라는 것을 발견하게 되었다. 연구진은 TrCel7A 및 PfCel7A의 촉매영역을 비교해서 차이가 있는 8곳의 부위를 찾아냈다. 범위를 계속 줄여가자 2개의 중요한 변형이 TrCel7A의 성능을 2배로 만든다는 것을 발견했다. 이는 아주 작은 변화가 효소의 성능에 막대한 영향을 끼친다는 점을 보여주며 섬유소 분해를 빠르게 해 산업공정에서 소요되는 효소 사용량을 줄여 준다. NREL 연구진의 궁극적인 목표는 다른 연구자들이 자신들의 연구결과를 활용해서 더 나은 효소를 쉽게 찾도록 돕는 것이다. 한편, 이 연구는 미 에너지부 Bioenergy Technologies Office가 기금을 지원했으며 연구결과에 대한 특허출원이 이뤄졌다. |
