메탄생성 미생물은 황산염에서 자라는 대사 경로를 재조립합니다

Jan 27, 2024

Marion Jespersen은 M. thermolithotrophicus가 황 공급원인 황산염에서만 자라는 발효조에서 작업하고 있습니다.[Tristan Wagner / Max Planck Institute for Marine Microbiology]

식물과 조류가 황을 획득하는 과정(황산염을 황화물로 전환)에는 많은 에너지가 필요하며 즉시 변환되어야 하는 유해한 중간체와 부산물이 생성됩니다. 이 때문에 일반적으로 에너지가 부족한 메탄생성물질은 황산염을 황화물로 전환할 수 없으며 다른 형태의 황에 의존해야 한다는 가설이 제기되었습니다. 그러나 메탄생성균인 Methanothermococcus thermolithotrophicus가 유일한 유황 공급원인 황산염에서 자란다는 (수십년 전의) 발견으로 인해 이에 대한 의문이 제기되었습니다.

이제 새로운 연구에서는 에너지 비용과 독성 중간체를 고려하여 M. thermolithotrophicus가 이를 수행하는 방법과 이것이 이러한 기능을 가진 유일한 메탄생성 물질인 이유를 밝혀냈습니다.

이 연구는 Nature Microbiology에 "해양 메탄생성 물질인 Methanothermococcus thermolithotrophicus의 동화성 황산염 감소"라는 제목으로 게재되었습니다.

막스 플랑크 해양 미생물학 연구소의 대학원생인 Marion Jespersen은 "박사 학위를 시작했을 때 M. thermolithotrophicus가 황화물 대신 황산염을 먹도록 설득해야 했습니다"라고 말했습니다. "그러나 배지를 최적화한 후, Methanothermococcus는 황산염에서 자라는 데 전문가가 되었으며, 세포 밀도는 황화물에서 자랄 때와 비슷했습니다."

황산염 동화의 분자 메커니즘을 이해하기 위해 과학자들은 박테리아 게놈에서 황산염 환원 관련 효소를 암호화할 가능성이 있는 5개의 유전자를 식별했습니다.

효소를 특성화함으로써 과학자들은 메탄생성물질로부터 최초의 황산염 동화 경로를 구성했습니다. 해당 경로의 처음 두 효소는 잘 알려져 있고 많은 미생물과 식물에서 발생하지만 후속 효소는 새로운 것이었습니다.

Jespersen은 “M. thermolithotrophicus가 황산염 환원 유기체에서 하나의 효소를 탈취하여 자신의 필요에 맞게 약간 변형한 것처럼 보이는 것을 보고 깜짝 놀랐습니다.”라고 말했습니다.

일부 미생물은 황산염을 세포 구성 요소로 동화시키는 반면, 다른 미생물은 인간이 산소를 호흡할 때처럼 동화 과정에서 에너지를 얻기 위해 황산염을 사용합니다. 유사 황산염 환원을 수행하는 미생물은 이를 위해 다른 세트의 효소를 사용합니다. 여기에서 연구된 메탄 생성 물질은 이러한 동화 효소 중 하나를 동화 효소로 전환했습니다.

"간단하지만 매우 효과적인 전략이며 이 메탄 생성 물질이 황산염에서 자랄 수 있는 이유일 가능성이 높습니다. 지금까지 이 특정 효소는 M. thermolithotrophicus에서만 발견되었으며 다른 메탄 생성 생성 물질에서는 발견되지 않았습니다"라고 Jespersen은 설명했습니다.

이 경로의 마지막 두 효소는 황산염을 동화하는 동안 생성되는 두 가지 독극물에 대처하도록 만들어졌습니다. 첫 번째는 동화효소와 유사하게 아황산염으로부터 황화물을 생성합니다. 두 번째는 다른 독을 가수분해하는 강력한 효율성을 지닌 새로운 유형의 포스파타제입니다.

"M. thermolithotrophicus는 황산염에서 성장할 수 있는 미생물 환경으로부터 유전 정보를 수집한 것으로 보입니다. 동화 및 동화 효소를 혼합하고 일치시킴으로써 자체 기능의 황산염 감소 기계를 만들었습니다."라고 Tristan Wagner 박사가 말했습니다. 막스 플랑크 연구 그룹 미생물 대사.

M. thermolithotrophicus와 같은 수소영양 메탄생성균은 이수소와 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 능력을 가지고 있습니다. 즉, 온실가스인 CO2를 바이오 연료인 CH4로 변환하여 주택 난방 등에 사용할 수 있습니다.

이를 위해 메탄생성물질은 대형 생물반응기에서 재배됩니다. 현재 메탄 생성 물질 재배의 병목 현상은 유황 공급원으로서 매우 위험하고 폭발성이 있는 황화수소 가스가 필요하다는 것입니다. M. thermolithotrophicus에서 황산염 동화 경로가 발견됨에 따라 이미 생명공학에 사용되는 메탄생성 물질을 유전적으로 조작하여 이 경로를 대신 사용할 수 있어 보다 안전하고 비용 효율적인 바이오가스 생산이 가능해졌습니다.