해양 초고온 고세균으로 수소를 만든다

수소를 생산하는 미생물인 '해양 초고온 고세균'의 총체적 대사경로가 세계 최초로 규명됐습니다.

이에 따라 고효율 수소생성 균주 개발 및 대사공학(metabolic engineering)을 통한 고효율 수소생산의 기반이 마련됐습니다.

한국기초과학지원연구원 생명과학연구부 정영호, 김승일 박사팀은 한국해양연구원 이정현, 강성균 박사팀과 공동으로 해양 초고온 고세균인 '써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)'이 개미산 또는 일산화탄소를 먹고 수소를 생성함과 동시에 포도당, 구연산 등의 유기탄소화합물을 생성해 지속적인 증식이 가능하다는 사실을 세계 최초로 규명했습니다.

또 NA1이 갖고 있는 알코올 탈수효소(alcohol dehydrogenase, ADH)가 고온의 수소생성 조건에서 전분을 먹이로 공급할 때 발현이 증가하여 알코올이 보다 효율적으로 생산된다는 사실도 확인했습니다.

바이오수소 생성 초고온 고세균 NA1의 총체적 대사 경로

공동 연구팀은 개미산과 일산화탄소, 전분이 먹이로 포함된 배양조건에서 자란 'NA1'으로부터 단백질을 추출한 후, 수소생성조건에 따른 단백질체 분석을 통해 전체 대사경로를 규명했습니다.

특히 이를 통해 개미산과 일산화탄소가 'NA1'의 에너지원으로서 뿐만 아니라 효율적인 유기탄소원으로 이용될 수 있음을 입증했고, 주요 대사 작용 및 수소생성에 관련된 기능성 단백질들을 규명하는데도 성공했습니다.

초고온성 고세균 NA1의 전자현미경사진

이러한 단일 탄소원자(C-1)로 구성된 기질들이 고세균에서 유기탄소원으로 사용된다는 것은 이번 연구를 통해 최초로 확인된 것입니다.

또 연구팀은 'NA1'이 지금까지 알려진 고세균 미생물 중 최다인 8개의 수소화효소군을 보유하고 있다는 것을 확인했습니다.

이처럼 다수의 수소화효소군을 보유한 경우, 이를 조절함으로써 생산되는 수소의 순도나 효율을 높일 수 있습니다.

특히 이들 수소생성 기능성 단백질들은 향후 고효율 수소 생산 균주 개발에 유용한 단백질 타겟으로 사용될 수 있습니다.

이번 연구로 초고온 고세균 NA1의 총체적 대사경로가 규명됨에 따라, 개미산이 수소 생성을 위한 에너지원으로 이용될 수 있을 뿐만 아니라 일산화탄소와 함께 탄소동화 과정을 거쳐 효율적인 유기탄소원으로 이용될 수 있음을 확인했습니다.

이 같은 연구결과는 향후 고효율 바이오수소 생성 균주 개발에 이용될 전망입니다.

이번 연구결과는 미국 생화학·분자생물학회에서 발간하는 국제 프로테오믹스 분야 세계 최고 권위지인 'Molecular and Cellular Proteomics 지' 의 2012년 6월호에 게재되었습니다.
(논문명 : Proteome analyses of hydrogen-producing hyperthermophilic archaeon Thermococcus onnurineus NA1 in different one-carbon substrate culture conditions. Molecular and Cellular Proteomics (IF=8.354))

<Molecular and Cellular Proteomics 誌내 논문 표지>

'써모코커스 온누리누스 NA1'은 지난 2002년 우리나라의 종합 해양연구선인 온누리호를 이용한 남태평양 파푸아뉴기니 해역 심해 열수구 탐사를 통해 해양연구원 연구팀에 의해 분리됐다. 국토해양부 해양생명공학사업의 '해양 초고온 고세균 이용 바이오수소 생산 기술개발 사업'과 '해양극한생물 분자유전체 연구단의 지원으로 유전체 분석을 완료하였고, 새로운 생명현상인 바이오수소 에너지대사작용을 유전체 및 오믹스 연구를 통해 규명하여 세계적인 국제권위지인 네이처(Nature)에 2010년 9월 16일자로 논문이 게재된 바 있다. 초고온성 미생물 NA1은 고온에서도 파괴되지 않고 활동하는 내열성 효소를 만들 수 있기 때문에 관심이 높았으며, NA1이 산업적으로 응용이 가능한 효소 공급원으로서의 역할을 담당할 수 있을 것으로 기대되어 왔다.