바이오연료 생산을 위한 맞춤형 미생물을 개발한 미국

미국 에너지 부의 오크 리지 국립 연구소 (Oak Ridge National Laboratory) 의 과학자들은 이전에 외래 DNA를 받아들이지 않았던 다양한 미생물에 유전자를 삽입하여 바이오 에너지를 위해 식물을 분해하는 맞춤형 미생물을 만드는 방법을 시연했다.

ORNL의 DOE 바이오 에너지 혁신 센터 (CBI)의 연구원들은 미생물의 힘을 이용하여 옥수수 줄기, 스위치 그래스 및 포플러와 같은 비 식품 바이오 매스를 바이오 연료 및 바이오 제품으로 전환합니다. 전환 공정의 효율을 높이기 위해서는 단일 반응 세트에서 셀룰로오스를 분해하여 바이오 연료로 발효시킬 수있는 미생물이 필요하다. 통합 된 바이오 프로세싱 (CBP)이라고 불리는이 방법은 바이오 연료 생산의 경제성을 향상시킵니다.

CBI 팀은 통합 바이오 프로세싱의 타당성을 입증했지만 바이오 연료 생산량을 높이려면 더 나은 미생물이 필요합니다. 목표 : 원하는 연료를 생산하기 위해 셀룰로오스를 섭취하고 산소가없는 고온 환경에서 번성하는 미생물.

 ORNL 바이오 사이언스 사업부의 유전자 및 대사 엔지니어 인 Adam Guss 는“이것은 복잡한 특성의 집합으로 대장균  이나  Saccharomyces cerevisiae [효모] 와 같은 모델 유기체로 가공하기가 매우 어렵다  ”고 말했다. "대신, 우리는 이미 원하는 특성을 많이 가지고있는 비 모형 미생물의 사용을 추구하고 있습니다."

이보다 특이한 미생물에서 표적 특성을 향상 시키거나 도입하는 것은 어려울 수 있습니다. 비 모델 미생물을 조작 할 수있는 도구는 거의 없으며, 유기체는 새로운 유전자를 삽입하려는 시도를 망칠 수있는 방어 메커니즘을 개발했습니다.

바이러스를 차단하기 위해 이러한 방어 메커니즘은 미생물이 의도하지 않게 외부 DNA를 복제하지 않도록 보호합니다. 자신의 DNA를 다른 DNA와 구별하기 위해 각 미생물은 소수의 특정 DNA 서열에 메틸기를 배치합니다. 이 메틸화 된 서열은 유기체에 고유하며 시그너처처럼 작용한다. 제한 효소라고 불리는 특수 효소는 세포를 순찰하고 시그니처 서열에 메틸기가없는 DNA를 씹습니다.

Guss와 그의 팀은이 방어 시스템을 활용하여 미생물을 생체 공학 DNA를 자신의 것으로 받아들이 기 위해 동축시키는 방법을 보여주었습니다.

연구원  들은 최근  그들의 방법과 실험 결과를 발표 했다. Clostridium thermocellum  ATCC27405에 삽입 된 유전자 (  변형이 어려운 CBP 유기체)는 실제로 예상대로 기능한다. 그들은 10 종의 다른 종들과 비슷한 성공을 거두었습니다. 이 종들은 이전에는 유전 공학으로는 사용할 수 없었습니다.

Guss는“우리가할수록 더 많이 배울 수 있습니다. "더욱 빠르고 안정적이되었습니다."

거스는 특히 유전자 기능을 식별하는 데 응용 및 기초 연구를위한이 빠른 길 들여진 방법의 많은 이점을 예상합니다. 이 접근법을 통해 과학자들은 미생물에 관심있는 유전자를 제거하거나 과발현하여 그것이 유기체의 특성에 어떻게 영향을 미치는지를 결정할 수 있습니다. 바이오 에너지 외에도이 방법은 생물 의학 및 기타 기본 연구에 사용될 수 있습니다.

CBI의 수석 과학자 인 브라이언 데이비스 (Brian Davison)는“아담과 그의 팀이 수행 한 일은이 유기체를 변형시키는 주요 걸림돌 중 하나를 제거하는 것이다. "이것은 실제로 복제하기 어려운 특성으로 미생물을 섭취하고 바이오 연료 생산량 증가와 같이 우리가 원하는 것을 더 많이 할 수 있도록 조정할 수있는 기회를 열어줍니다."

CBI는 DOE 과학실에서 자금을 지원하는 4 개의 바이오 에너지 연구 센터 중 하나이며, 지속 가능한 바이오 경제를위한 맞춤형 엔지니어링 공급 원료 플랜트 및 미생물에 중점을두고 있습니다.

-요약-

미 에너지부(DOE)의 Oak Ridge 국립 연구소(ORNL) 연구진이 바이오에너지용 식물을 분해하기 위해 맞춤형 미생물을 만들겠다는 목표를 가지고 이전에는 이질 DNA를 받아들이지 않았던 다양한 미생물에 유전자를 삽입하는 방법에 성공했다.

ORNL의 바이오에너지 혁신센터(CBI, Center for Bioenergy Innovation)의 연구진은 미생물의 힘을 이용하여 옥수수 줄기, 스위치그래스, 포플러와 같은 비식품 바이오매스를 바이오 연료와 바이오 제품으로 바꾸고 있다. 전환 과정의 효율성을 높이기 위해서는 셀룰로오스를 분해하여 한 계열의 반응으로 바이오 연료로 발효시킬 수 있는 미생물이 필요하다. CBP(Consolided Bioprocessing)라고 불리는 이 접근법은 바이오연료 생산의 경제성을 향상시킨다.

CBI 팀은 통합 바이오프로세스의 가능성을 입증했지만, 더 많은 바이오연료 생산량을 달성하기 위해서는 더 나은 미생물이 필요하다. 목표는 연료 생산을 위해 셀룰로오스를 소비하여 산소 없이도 고온 환경에서 번성하는 미생물 개발이다.

ORNL측은 이와 같은 매우 복잡한 특징을 갖춘 Escherichia 대장균이나 Saccharomyces 이스트와 같은 모델 유기체를 만들어내기가 매우 어렵다고 밝혔다. 그 대신 이미 원하는 특성을 많이 가지고 있는 비모델 미생물의 사용을 추진하고 있다고 밝혔다.

이러한 특이 미생물의 목표특성을 향상시키거나 도입하는 것은 도전적일 수 있다. 비모델 미생물을 개발하는 데 사용할 수 있는 도구들은 거의 없으며 이 유기체들은 새로운 유전자를 삽입하려는 시도를 막을 수 있는 방어기제를 개발했다.

바이러스를 막기 위해 이러한 방어 메커니즘은 의도하지 않게 외부 DNA를 복제하는 것으로붜터 미생물을 보호한다. 그들 자신의 DNA와 다른 DNA를 구별하기 위해 각각의 미생물은 소수의 특정 DNA 서열에 메틸 그룹을 배치한다. 이 메틸레이트된 염기서열은 유기체 특유의 것으로 서명처럼 작용한다. 제한효소(restriction enzyme)라고 불리는 특수효소들은 세포를 순찰하고 서명순서에 메틸 그룹이 없는 DNA를 없앤다. 연구진은 이 방어시스템을 이용하여 미생물이 새로운 DNA를 그들 자신의 것으로 받아들이도록 유도하는 방법을 입증한 것이다.

연구진은 최근 해당 방법과 CBP 유기체인 Clostridium thermocellum ATCC27405에 삽입한 유전자가 실제로 예상대로 작동한다는 것을 입증하는 실험결과를 발표했다. 그들은 10종의 다른 종들에서도 비슷한 성공을 거두었다. 이 종들은 이전에는 유전공학에는 적합하지 않았다.

연구진은 이 방식의 많은 이점을 응용과 기초연구에, 특히 유전자 기능을 식별하는데 사용할 수 있을 것으로 보고 있다. 이 방법은 바이오에너지 외에도 바이오의학 및 기타 기초연구에 활용할 수 있다. 한편, CBI는 DOE 과학국에서 후원하는 4개의 바이오에너지 연구센터 중 하나로 지속 가능한 바이오 경제를 위한 맞춤형 엔지니어링 공급원료 공장 및 미생물에 초점을 맞추고 있다.