메탄 먹어치우는 미생물의 기작 규명
메탄 먹어치우는 미생물의 기작 규명
  • 강지희
  • 승인 2019.11.08 06:10
  • 조회수 900
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환경을 위협하는 메탄, 조치가 필요하다. 출처: AdobeStock
환경을 위협하는 메탄, 조치가 필요하다. 출처: AdobeStock

전북대학교 이승재 교수 · 미시간주립대 조운수 교수 연구팀이 메탄가스를 메탄올로 변환시키는 미생물, 메탄자화균의 생화학적 기작을 밝혀 온실가스 저감 및 바이오에너지 확보를 위한 기초 이론을 제공했습니다. 해당 연구 논문은 <Science Advances>에 게재됐습니다. 

 

메탄자화균, 왜 중요한가

 

메탄자화균(methanotrophs)은 메탄가스를 유일한 에너지원으로 대사하는 미생물로 산소의 유무에 관계없이 자랍니다. 메탄은 온실가스로 환경오염의 원인입니다. 동시에 메탄은 에너지원으로도 주목받습니다. 메탄은 최근 환경과 에너지 분야에서 동시에 관심이 증대되고 있죠.

 

온실가스의 대부분은 이산화탄소입니다. 하지만 상대적으로 낮은 비율의 메탄 가스가 약 33배 더 강력한 온실가스 효과를 보입니다. 최근 유엔 정부 간 기후협약패널(IPCC) 등에서 온난화와 관련해 메탄에 대한 규제는 더욱 엄격해지고 있습니다. 특히 벼농사 지역에서의 메탄 저감을 절실히 요구하고 있죠. 

 

메탄은 셰일가스의 주성분으로 현재 수송에 용이한 메탄올로의 전환이 중요 이슈로 부각되고 있습니다. 상업에서 메탄의 메탄올로의 전환은 고온 및 고압 상태에서 이뤄지는데요. 자연계에서는 메탄자화균이 대사를 통해 메탄을 메탄올로 전환합니다. 메탄자화균에 대한 효소화학적 연구는 지난 30여 년간 이루어져 왔습니다. 하지만 중합체 구조가 아직 밝혀지지 않아 다양한 조효소의 결합과 경쟁에 의해 조절되는 기작을 이해하는 데 많은 어려움을 겪습니다.

 

수많은 효소들의 복잡한 과정 해결하다

 

과학자들은 메탄을 먹고 자라는 메탄자화균이 가진 메탄 모노옥시게나제라는 효소복합체를 연구해왔습니다. 하지만 이 복합체가 메탄을 메탄올로 변환시킬 때 산화효소(MMOH), 저해효소(MMOD) 및 촉진효소(MMOB) 등이 복잡하게 관여하고 있어 전체적인 기작에 대한 이해가 더뎠는데요.   

  • 메탄모노옥시게나제(methane monooxygenase)?

메탄자화균에서 만들어지는 수용성 효소입니다. 산화효소를 비롯한 다양한 조효소들이 존재해 메탄을 산화시킬 수 있습니다.

X-선 회절분석에 의한 산화-저해효소 (MMOH-MMOD) 중합체 구조 규명
X-선 회절분석에 의한 산화-저해효소 (MMOH-MMOD) 중합체 구조 규명. 출처: 한국연구재단

연구팀은 메탄자화균(Methylosinus sporium 5)으로부터 순도 높은 산화효소(MMOH)를 정제했습니다. 그 다음 연구팀은 산화효소와 저해효소(MMOD)가 결합한 복합체(MMOH-MMOD)의 결정 구조를 얻는 데 성공했습니다. 나아가 연구팀은 이 결정 구조를 X선으로 분석했는데요. 분석 결과 연구팀은 저해효소가 산화효소를 방해해 메탄의 산화를 저해하는 기작을 발견했습니다. 

저해제 (MMOD)와 촉진제 (MMOB)의 산화효소 (MMOH) 조절 기작 규명. 출처: 한국연구재단

메탄가스가 메탄올이 되려면 산화효소(MMOH)의 활성 부위에 메탄이 자리잡을 수 있도록 철(Fe)이 산소분자와 결합해 구조가 바뀌어야 합니다. 연구팀은 이 과정에서 저해효소(MMOD)가 촉진효소(MMOB)와 같은 자리를 두고 다투며 철(Fe)의 결합을 억제함으로써 활성부위의 구조변화를 유도, 메탄이 활성부위에 접근하지 못하도록 방해한다는 점을 알아냈습니다. 

이승재 교수. 출처: 한국연구재단
이승재 교수. 출처: 한국연구재단

연구팀은 "밝혀진 메탄자화균의 메탄 대사경로를 기반으로 대사공학을 활용하면 메탄으로부터의 바이오 연료 또는 화학 소재 등 다양한 종류의 고부가가치 산물의 생산을 앞당길 수 있을 것"이라고 전망했습니다. 연구팀은 "메탄의 메탄올 대사에는 최소 8개 이상의 폴리펩타이드 결합이 관여한다. 이 결합이 관여하는 메탄의 메탄올 대사 과정에 대한 촉매회로도 완성을 목표로 연구를 지속할 계획"이라고 밝혔습니다. 

 

##참고자료##

 


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