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최근에, 중국 과학원 산하 대련 화학물리연구소소의 조종보 (赵宗保) 연구원 팀은 바이오매스를 고효율로 전환하는데 있어서 미생물대사에서 에너지 조절연구 방면에서 큰 진전을 이루었다. 즉 무기화합물에 있는 에너지를 생물이 이용할 수 있는 에너지의 운반체의 형태로 전환하는데 성공하였다. 이로 인해서 세포 내에서 물질 변환 경로의 선택이 가능하도록 한 것이라고 볼 수 있다. 관련 연구는 미국 화학회에서 발간되는 ACS Catalysis에 발표되었다. 에너지 대사는 생명활동에서 기본 특징가운데 하나로 에너지를 운반하는 매개체라고 할 수 있는 운반체 (보조효소)가 필요하다. 천연 에너지 운반체로는 NAD, NADP가 있는데 여러 가지 대사 반응이나 기차 생물내의 과정에 참여하기 때문에 에너지 대사 조절에 있어서 선택성을 갖게 되며, 생물학적 효과를 예측하는 것이 어렵다는 문제점들이 있다. 따라서 이 연구팀은 비천연 보조효소를 가지고 대사 조절을 할 수 있는 전략을 제시하였다. 이 연구에 앞선 연구를 통해서, 비천연 보조 효소인 nicotinamide cytosine dinucleotide (NCD)를 설계 합성하였다. 산화환원의 조효소를 개조하여 비천연 보조효소를 선호하는 돌연변이 효소를 만들었다. 체외 실험에서 돌연변이를 가진 효소가 야생형 효소와 비슷한 촉매 활성을일 보였고, 기질/산물선택성과 같은 촉매의 특성도 비슷하였다 그러나 기존의 생물체가 이용하는 것과는 다른 산화환원 효소 시스템을 만들어낸 것이다. 연구팀은 성공적으로 NCD를 선호하는 PDH(phosphate dehydrogenase)를 얻었다. 이를 이용하여 phosphite염을 산화시키는 촉매반응을 통해 고효율로 비천연 보조효소인 NCDH를 생산하게 하였다. 이렇게 하여 체외에서 다중의 효소를 이용한 촉매 시스템을 만들어서, NCDH를 매개체로 하면서 천연 보조효소에 의존하지 않는 독립적인 반응을 설계하여, 선택성을 가진 에너지 전달 특성을 갖게 된 시스템을 만들어낸 것이다. 대장균을 숙주로 하여 유전자 조작을 통해서 PDH돌연변이 효소와 NCD를 선호하는 malate dehydrogenase (Mae) 돌연변이 효소와 핵산 전달 단백질 (Ndt)을 도입하여 phosphite, 포도당 및 NCD의 존재하에서 사과산의 합성과 수율이 NCD를 첨가하지 않았을 때에보다 현저하게 높아졌다는 것을 보여주었다. Ndt를 발현하지 않은 균주에서는 시스템에 NCD를 첨가해도 사과산의 축적은 뚜렷한 영향이 없었다. 결과적으로 유전자 조작된 균은 NCD를 섭취하여 phosphite염을 에너지원으로 하여 NCDH를 만들어내면서 선택적으로 Mae 돌연변이 효소의 촉매에 의해서 pyruvate 탈탄산 반응 (decarboxylation)에 의해서 사과산을 생성하게 된 것이다. 연구 성과는 비천연 보조 효소에 기초한 화학 생물학 (chemical biology)와 합성 생물학연구에 있어서 과학적인 진보를 이룩한 것이라고 생각할 수 있다. 본 연구는 과학기술부가 지원하는 ldquo;973계획 rdquo;, 국가자연과학기금과 촉매기초 국가 중점 연구실의 지원에 의해 이루어진 것이다. |
