재생 가능한 바이오매스로부터 미생물을 이용하여 생산한 바이오 알코올류인 에탄올과 부탄올은 미생물에 독성을 나타내서 세포의 성장과 알코올 생산을 방해한다. 이 문제를 해결하기 위해서 최근 새로운 유전자들을 도입해서 개발된 E. coli를 이용해서 이소부탄올, 부탄올, 프로판올, 이소프로판올 등의 고분자 바이오 알코올류를 생산할 수 있는 기술을 개발되었는데 특히 프로판올은 바이오연료로서의 가치가 높다.
<h1>서 론</h1><p>재생 가능한 바이오매스(renewable biomass)로부터 Saccharomyces cerevisiaes Clostridium과 같은 미생물에 의해서 바이오 알코올류(bio-alcohols)인 에탄올(ethanol)과 부탄올(butanol)이 생산된다. 그러나, 이러한 화합물들은 미생물에 독성을 나타내기 때문에 배양액에 많이 축적되면 세포의 성장이 저해되고, 알코올 생산성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 알코올류의 발효농도와 생산성을 향상 시키기 위해서는 알코올 축적에 따른 미생물 내의 유전자 발현, 단백질 합성, 대사흐름의 변화, 그에 따른 생리적인 변화 등에 관한 세포수준 및 분자수준에서의 종합적인 분석과 이해가 필요하다.</p><p>알코올류 중, 특히 에탄올과 부탄올 스트레스가 미생물에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 세포가 에탄올에 노출될 경우, 세포의 형태(morphology)뿐만 아니라 세포막의 조성(composition), 구조(structure), 그리고 기능(function)에 변화가 일어나며, 또한, 세포분열 저해, 세포 생존성(viability) 감소, 대사활성(metabolic activity) 저하 등이 나타나는 것으로 알려져 있다. S. cerevisiae에서 microarray 를 사용하여 에탄올 내성에 관여하는 주요 조절 유전자들을 확인한 결과, TCA 회로, 해당과정, 아미노산 대사, 일반적인 스트레스 반응(general stress response), cell rescue defense, 그리고 virulence와 관련된 유전자들의 발현이 증가하는 것으로 확인되었다. Escherichia coli의 경우, 에탄올에 반응하여 세포막의 지방산 탄소 수가 16개에서 18개로 증가하는 것이 보고되었으며, 그 외 3개의 대사물질(glycine, betaine, serine)과 하나의 기능성 전사인자(non-functional transcription factor, FNR)가 혐기적인 E. coli 배양에서 에탄올 내성에 중요한 인자들임을 확인하였다. 한편, Clostridium 세포가 부탄올에 노출될 경우, 영양물질의 능동수송, 막결합 ATPase, 그리고 포도당 흡수가 저해되며, 세포막 주위의 양성자동력(proton motive force)을 부분적으로 또는 완전히 없애며, 세포 내 pH와 ATP농도를 낮추는 것으로 알려져 있다. 또한 세포막의 유동성을 유지하기 위해 포화지방산의 비율이 증가하며, 열충격 단백질(heat shock proteins, HSPs)들의 발현도 증가하는 것이 밝혀졌다. 특히, HSPs의 일종인 GroEL을 많이 발현시킨 결과, 부탄올 내성과 농도가 증가하는 결과를 얻었다. Microarray 실험을 이용하여 또 다른 바이오알코올인 이소부탄올 스트레스에 대한 E. coli에서의 분자수준에서 그 기작을 규명한 연구가 발표되었다. E. coli가 이소부탄올에 노출되면, 세포막의 기능에 영향을 미쳐 호흡에 관여하는 quinone의 기능에 손상을 주어, 최종적으로 ArcA, PhoB, Fur를 활성화시켜 각각의 regulons을 조절하는 것으로 확인되었다.</p><p>최근 새로운 유전자들을 도입하여 대사공학적으로 개발된 E. coli를 이용하여 산업적으로 유용한 이소부탄올, 부탄올, 프로판올(propanol), 이소프로판올(isopropanol) 등의 고분자 바이오 알코올류를 생산할 수 있는 기술이 보고되었다. 그 중에서 프로판올은 에탄올보다 높은 에너지 밀도와 낮은 증기압을 갖는 에탄올을 대체할 수 있는 바이오연료로서의 가치가 있는 알코올이다. 프로판올을 생산하는 E. coli를 개발하는데 있어 프로판올이 E. coli에 어떠한 유전적, 생리적, 대사적 영향을 미치는지를 조사할 필요가 있다. 본 연구자들은 E. coli를 배양하는 과정에서 프로판올이 전체 유전자들의 발현에 어떠한 영향을 미치며, 프로판올 내성에 관여하는 유전자가 무엇인지를 DNA microarray 실험을 통하여 확인하였다. 그 결과, sigma factor 중에서 특히, RpoH에 의해서 조절받는 유전자들의 발현이 많이 증가하며, 여러 global regulators에 의해서 조절 받는 유전자들의 발현이 증가하거나 감소함을 확인하여 보고한다.</p>