식용 작물의 전분계 바이오매스 대신 비식용 작물의 섬유소계 바이오매스로부터 바이오소재 및 바이오연료를 생산하는 연구가 진행되고 있다. 이에 대한 대사공학적 접근으로, 실험실에서 적응진화 방법을 활용하고 있다. 그러나, 이 재조합된 S. cerevisiae는 xylose 대사과정에서 xylitol 및 acetate 등의 부산물이 발생하는 문제가 있다. 또한, xylose와 cellobiose의 동시 대사 중에는 cellobiose 분해 효소의 비특이적인 글리코실전이 반응으로 인해 세포가 대사하기 어려운 중합체가 발생하는 문제가 있다.
<h1>서 론</h1> <p>근래 식용작물 유래의 전분계 바이오매스를 대체하여 비식용 작물 유래의 섬유소계 바이오매스로부터 바이오소재 및 바이오연료를 생산하는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 전분계 바이오매스와 달리 섬유소계 바이오매스는 전처리 및 효소당화를 거쳐 glucose와 xylose 등의 혼합당으로 전환되는데, 대부분의 미생물은 glucose의 다른 당에 대한 대사 억제(glucose repression)에 의해 glucose를 모두 대사한 후 다른 당을 대사하는 순차적인 발효 양상을 보이며, 이로 인해 혼합당이 모두 대사되기까지 발효시간이 늘어날 뿐만 아니라 glucose 대사에서 발생하는 발효 산물에 의해 다른 당의 대사가 저해되어 목적물질의 생산수율이 낮아지는 단점을 보이게 된다. 따라서 섬유소계 바이오매스로부터 바이오연료 및 바이오소재를 효과적으로 생산하기 위해서는 다양한 형태의 혼합당을 효과적으로 발효할 수 있는 미생물의 개발이 필수적이라 할 수 있다.</p> <p>전통적인 맥주 발효 효모인 Saccharomyces cerevisiae 는 xylose를 대사할 수는 없으나 탁월한 glucose 대사 성능 및 ethanol 생산 성능으로 인해 섬유소계 바이오매스로부터 바이오연료를 생산하는 연구에 널리 활용되어 왔다. xylose를 대사할 수 있는 다양한 미생물로부터 xylose 대사 효소들(예, xylose reductase, xylitol dehydrogenase 및 xylulokinase 등)을 도입하고 발현 수준을 조절하여 xylose로부터 효과적으로 ethanol을 생산하는 균주가 개발된 바 있으며, glucose repression을 피하고 혼합당 대사 효율을 높이기 위해 cellulose를 분해할 수 있는 미생물로부터 cellobiose 대사 효소들(예, cellobiose transporter 및 intracellular \( \beta \)-glucosidase 또는 cellobiose phosphorylase 등)을 추가로 도입하여 xylose와 cellobiose를 동시에 대사할 수 있는 균주가 개발되기도 하였다. 그러나 이러한 재조합 S. cerevisiae 는 xylose의 대사 중 xylitol 및 acetate 등의 부산물이 발생하는 문제점이 보고되어 왔으며, xylose와 cellobiose의 동시대사 중에는 세포 내 cellobiose 분해 효소들의 비특이적인 글리코실전이반응(transglycosylation)에 의해 세포가 대사하기 힘든 다양한 형태의 중합체들이 부산물로 발생하는 문제점이 보고되어 왔다.</p> <p>이에 반해 자연적으로 xylose를 대사할 수 있는 효모인 Pichia stipitis는 유전자 재조합 기술을 이용한 외래 유전자들의 도입과 추가적인 대사회로의 조절 없이도 섬유소계 바이오매스로부터 유래하는 다양한 당류들을 대사할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 야생형의 P. stipitis의 경우 xylose의 대사는 원활한 반면 cellobiose의 대사는 현저히 느리기 때문에 세포의 cellobiose 대사의 향상 없이는 glucose repression을 회피하여 섬유소계 바이오매스 유래의 다양한 당류들을 효과적으로 대사하기는 어렵다.</p> <p>최근 미생물의 대사공학적 개선을 위한 방법으로 실험실 수준의 적응진화(adaptive evolution) 방법이 널리 활용되고 있다. 적응진화란 세포 내 특정 유전자들의 발현의 조절 또는 발현수준의 변화 없이는 미생물의 생육이나 대사가 어려운 환경(예, 기질공급의 제한, 환경 스트레스 유발 및 생육저해제 첨가 등)에 미생물을 지속적으로 노출시켜 세포가 스스로 유전적 변이를 일으켜 환경을 극복하고 진화하도록 유도한 후, 돌연변이 개체들이 보통의 개체보다 환경에 우선 적응하여 우점종이 되도록 하여 균주를 개선하는 방법이다.</p>