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- 유전자 변형 박테리아가 고에너지 연료용 분자 제공
- 지방산 메틸 에스테르 생산에 사용가능한 유전자 클러스터 발견(명명 퓨엘레마이신)
- 제품의 에너지 밀도는 리터당 50메가줄 이상. 휘발유 등유 보다 높아
- 휘발유는 리터당 32메가줄, 등유 및 로켓 연료는 연료 리터당 약 35메가줄이다.

박테리아가 로켓 연료를 생산한다.
유전자 변형 박테리아는 고에너지 연료를 위한 분자를 제공할 수 있다.

생물반응기에서 탱크까지:
미래에 미생물은 바이오 기반 전자 연료의 공급업체로서 중요한 역할을 할 수 있다. 연구원들은 고성능 연료를 위한 유기적 기초를 생산하기 위해 박테리아를 조작했다. 미생물은 특히 높은 에너지 밀도를 가지며 로켓 연료로 사용될 수도 있는 삼각형 고리로 구성된 탄화수소를 생성한다. 

▲ 유전자 변형 박테리아는 고성능 연료를 위한 에너지 밀도 탄화수소를 제공할 수 있다. © Jenny Nuss/Berkeley Lab

적어도 자동차가 발명된 이후로 원유를 사용 가능한 연료로 전환하는 것은 인류에게 중요한 역할을 했다. 얻은 탄화수소의 유형과 구조에 따라 디젤, 휘발유, 등유 또는 에너지 밀도가 높은 로켓 연료가 원유에서 생산된다. 우리 인간은 약 200년 동안 그러한 연료를 생산해 왔지만 수십억 년 동안 탄소 기반 에너지 분자를 만들어온 박테리아가 있다.

석유화학 대신 생물학

캘리포니아 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL)의 파블로 크루즈-모랄레스(Pablo Cruz-Morales)가 이끄는 연구팀은 이제 새로운 유형의 바이오 연료를 생산하기 위해 박테리아의 이러한 능력을 이용했다. LBNL의 공저자인 Eric Sundstrom은 "이 문제로 이어진 질문은 생물학이 석유화학이 만들 수 없는 어떤 흥미로운 구조를 만들 수 있을까?"라고 말했다. 또한 "석유화학 연료를 사용하면 다양한 분자의 수프를 얻을 수 있으며 이러한 화학 구조를 많이 제어할 수 없다.“

따라서 연구 작업의 목표는 생물학적 기반으로 알려진 연료를 생산하는 것뿐만 아니라 더 나은 화학적 특성을 가진 새로운 화합물을 찾는 것이었다. 팀의 초점은 하나 이상의 3원자 탄소 고리를 가진 사이클로프로판 분자에 있었다. 팀은 유기 사이클로프로판 화합물에 대한 기존 연구 문헌을 조사했지만 알려진 두 가지 예만 찾을 수 있었다.

▲ 연구 개요도 (출처: 관련논문 Biosynthesis of polycyclopropanated high energy biofuels / Joule)

죠우사마이신(Jawsamycin)을 기본으로

"jawsamycin"이라고 불리는 이러한 화합물 중 하나는 항진균 특성에 대한 관심으로 이미 광범위하게 연구되고 유전적으로 분석되었다. 이름은 5개의 사이클로프로판 고리를 가진 스트렙토마이세스 박테리아가 만든 분자가 뾰족한 이빨을 가진 턱처럼 보인다는 사실에서 유래했다. 그러나 문제는 죠우사마이신을 생성하는 박테리아가 실험실 환경에서 자라는 것이 거의 불가능하다는 것이다.

따라서 과학자들은 죠우사마이신과 유사한 구조를 생성하고 다른 한편으로는 조절된 생산을 가능하게 하는 효소의 조합을 찾기 위해 밀접하게 관련된 박테리아의 게놈을 더 깊이 조사했다. 그러나 목표는 이미 알려진 시클로프로판 분자를 정확히 생성하는 것이 아니라 구조의 일부를 생략해 연료로 사용할 수 있는 고에너지 제품을 만드는 것이었다.

레시피를 완성하는 제빵사처럼 연구팀은 다양한 박테리아 특성을 결합하여 응용 분야에 적합한 새로운 분자의 생산자를 만들었다. Cruz-Morales는 "자연적으로 우리가 필요로 하는 것을 만드는 대사경로를 찾기 위해 수천 개의 게놈을 검색했다"라고 설명했다. "이런 식으로 우리는 작동하거나 작동하지 않을 수 있는 기술 프로세스를 피할 수 있었고 자연의 최상의 솔루션을 사용할 수 있었다.“

▲ Jawsamycin을 생산하는 Streptomycetes의 배양. © Pablo Cruz-Morales

휘발유와 등유보다 높은 에너지 밀도

연구 결과, 연구원들은 마침내 최대 7개의 사이클로프로판 고리를 가진 지방산 메틸 에스테르를 생산하는 데 사용할 수 있는 유전자 클러스터를 발견했다. 그들은 이것을 POP-FAME(폴리시클로프로판화 지방산 메틸 에스테르) 또는 퓨엘레이마이신이라고 한다. 유전자 클러스터를 Streptomyces albireticuli 박테리아에 전달하고 적용함으로써 과학자들은 이 운반체 미생물의 POP-FAME 생산을 22배 증가시킬 수 있었다.

이러한 실험실 실험을 통해 연구원들은 더 자세히 분석하고 단 하나의 추가 처리 단계에서 연료로 전환할 수 있는 충분한 사이클로프로판 화합물을 얻었다. 보조 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 생성된 연료마이신 추진제의 에너지 밀도도 결정했다. 이에 따르면 제품의 에너지 밀도는 리터당 50메가줄 이상이다. 비교를 위해 휘발유는 리터당 32메가줄, 등유 및 로켓 연료는 연료 리터당 약 35메가줄이다.

추가 최적화 필요

그들의 연구를 계속하면서 팀은 현재 박테리아의 생산 효율성을 더욱 높이는 작업을 하고 있다. Cruz-Morales는 "실제 로켓 엔진에서 테스트를 수행하려면 10kg의 연료가 필요하지만 아직 거기에 도달하지 못했다"라고 말했다. 그들은 또한 POP-FAME가 다른 효소로 어떻게 더 최적화될 수 있는지 조사하고 있다. 예를 들어, 과학자들은 분자에서 두 개의 산소 원자를 제거하기를 원하는데, 이는 무게를 추가하지만 연소 중에는 이점이 없다.

Sundstrom은 "체인 길이를 특정 용도에 맞게 조정하는 작업도 진행하고 있다"며 "긴 사슬 연료는 고체화되어 로켓 추진제에 좋을 수 있고, 짧은 사슬은 항공기 응용에 좋으며, 중간에 디젤의 대안이 될 수 있는 분자가 될 수 있다"라고 말했다. 궁극적으로 과학자들은 다음을 통해 박테리아를 사용하여 식물 폐기물에서 많은 양의 연료를 생산하는 좋은 방법을 발견하기fmg 희망하고 있다.
(Joule, 2022; doi: 10.1016/j.joule.2022.05.011)
출처: Lawrence Berkeley National Laboratory / 로렌스 버클리 국립 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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