메탄 에너지원 생장 세균에 에탄 역할→온실가스↓ 플라스틱 만들고

[아이뉴스24 정종오 기자] 메탄은 이산화탄소(CO₂)보다 약 25배 강한 온실가스이다. 기후변화 대응에서 가장 시급한 감축 대상 중 하나로 천연가스, 매립지 가스, 축산·폐수 처리 등 다양한 배출원에서 종종 에탄과 혼합된 형태로 존재한다.

천연가스 중 에탄도 큰 비중을 차지하며 메탄 다음으로 최대 15%까지 포함돼 있다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 에탄이 이런 메탄을 에너지원으로 사용하는 ‘편성 메탄산화균’의 대사에 영향을 줘서 메탄을 저감시키고 바이오플라스틱 생산에 활용할 가능성을 제시했다.

KAIST(총장 이광형)는 건설및환경공학과 명재욱 교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대와 공동연구를 통해 천연가스의 주요 부성분인 에탄(C2H6)이 ‘편성 메탄산화균(Methylosinus trichosporium OB3b)’의 핵심 대사에 미치는 영향을 규명했다고 7일 발표했다.

메탄산화균은 산소가 있는 조건에서 메탄을 에너지원으로 사용해 생장할 수 있는 세균이다. 이 중 ‘편성(obligate) 메탄산화균’은 메탄이나 메탄올과 같은 C1 화합물만을 성장 기질로 활용하는 것이 특징이다. 지금까지 이러한 편성 메탄산화균이 비(非)성장 기질인 에탄에 어떻게 반응하는지에 대한 연구는 이뤄지지 않았다.

연구팀은 이번 연구에서 C2 기질인 에탄이 성장 기질로 사용되지 않음에도 불구하고, 편성 메탄산화균의 메탄 산화, 세포 성장, 생분해성 고분자인 폴리하이드록시부티레이트(Polyhydroxybutyrate, PHB) 합성 등 주요 대사 경로에 유의미한 영향을 미친다는 사실을 알아냈다.

연구팀이 다양한 메탄과 산소 농도 조건에서 에탄을 첨가해 메탄산화균을 배양한 결과 △세포 성장 억제 △메탄 소비 감소 △PHB 합성 증가의 세 가지 대사 반응이 일관되게 나타났으며 이러한 변화는 에탄 농도가 증가할수록 더욱 두드려졌다.

이번 연구를 보면 에탄은 단독으로는 메탄산화균에서 반응하지 않으며, 세균 역시 에탄만 주어졌을 때는 성장하지 않는다. 메탄과 함께 존재할 경우 메탄을 산화하는 핵심 효소 ‘입자상 메탄모노옥시게네이스(pMMO)’를 통해 에탄이 함께 산화되는 ‘동시 산화(co-oxidation)’현상이 관찰됐다.

에탄이 산화되는 과정에서 생성되는 중간 대사산물 ‘아세테이트(acetate)’는 메탄산화균의 세포 성장을 억제하는 동시에, PHB(Polyhydroxybutyrate) 생산을 촉진하는 것으로 나타났다. PHB는 생분해성 바이오플라스틱의 원료로 주목받는 고분자 물질이다.

이러한 작용은 균이 처한 영양 상태에 따라 상반된 양상을 보인다. 영양이 충분한 상태에서는 에탄이 세포 성장에 부정적 영향을 미쳤다. 영양 불균형 상태에서는 오히려 PHB 축적을 유도해 긍정적 효과를 나타낸다.

에탄을 첨가했을 때 메탄의 소비량은 감소했다. 메탄 분해 효소인 pMMO를 구성하는 pmoA 유전자의 발현량에는 유의미한 변화가 없었다. 이는 에탄이 유전자의 전사(transcription) 수준에서는 영향을 미치지 않는다. 대신 효소의 실제 작동 능력(활성 수준)이나 전사 이후 조절 단계에서 영향을 준다는 사실을 입증한다.

KAIST 명재욱 교수는 “이번 연구는 ‘편성 메탄산화균’이 단일 기질 환경이 아닌 에탄과 복합 기질 조건에서 어떻게 대사적으로 반응하는지를 체계적으로 규명한 최초의 사례”라며 “에탄과 같은 비성장 기질이 메탄 대사와 생분해성 고분자 생산에 미치는 영향을 밝힘으로써 생물학적 메탄 저감 기술뿐 아니라 바이오플라스틱 생산에도 새로운 가능성을 제시한다”고 전했다.

KAIST 건설및환경공학과 박사과정 박선호 학생이 제1 저자인 이번 연구(논문명: Non-growth substrate ethane perturbs core methanotrophy in obligate methanotroph Methylosinus trichosporium OB3b upon nutrient availability)는 환경미생물학 및 생명공학 분야의 권위 있는 미국미생물학회(American Society for Microbiology) 학회지인 국제학술지 응용 환경미생물학(Applied and Environmental Microbiology)에 7월 10일 자로 실렸다.