봄, 하면 막연히 설레던 마음이 두려움으로 바뀐 것은 흩날리던 벚꽃마저 가려버린 미세먼지 때문일 것입니다. 눈을 뜸과 동시에 휴대전화로 오늘의 미세먼지 농도를 확인하고 마스크를 준비하는 일에 익숙해져 버렸습니다. 화석 연료를 대체할만한 대체 에너지원을 찾는 일을 더는 미룰 수 없게 된 현실입니다. 지난해 경주로부터 시작된 지진에 대한 공포로 원전에 대한 우려의 목소리가 커지고 있는 가운데 문재인 정부는 탈원전 정책의 하나로 지난 6월 17일에는 대한민국 1호 원전(부산 기장군 고리 원자력발전소)이 멈추었고 신고리 5·6호기의 건설1) 및 노후 석탄 화력 발전소의 가동을 일시 중단했습니다. 대신 태양광, 풍력 등 신재생에너지를 늘리겠다는 정책이 발표됨에 따라 친환경 연료인 신재생에너지 발굴에 대한 필요성이 대두하고 있습니다.2) 신재생에너지라 하면 흔히 수력, 풍력, 태양력 등을 떠올리게 되는데 생물자원(Biomass)으로부터 얻어지는 바이오에탄올도 이에 포함됩니다.
순도가 높고 기존의 화석 연료를 연소할 때 생성되는 일산화탄소 등 환경오염 물질이 전혀 배출되지 않는다는 점에서 친환경 대체에너지로 주목받고 있는 바이오에탄올은 사탕수수, 옥수수, 카사바 등 식량 자원으로부터 얻어지는 것을 일반적으로 생각하게 됩니다. 실제로 사탕수수의 원산지인 브라질에서는 차량의 70%가 사탕수수로부터 얻어진 바이오에탄올을 연료 첨가제로 사용하고 있습니다. 그러나 그 외의 지역에서는 원가가 너무 비싸 이용하기 힘들고, 옥수수의 경우 식량난과 결부되어 윤리적 문제를 일으켜 자연스럽게 2세대 바이오에탄올로의 전환이 시작되었습니다.
2세대 바이오에탄올은 볏짚, 잡초, 포플러 나무 등 목재(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스)로부터 얻어지는데 이 경우, 목질부는 식용화되지 않고 폐목재의 처리 문제를 해결했다는 점에서 윤리적 문제는 피했으나 바이오에탄올 생산을 위한 주재료인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스만 분리하는 것이 어렵다는 단점이 있습니다. 목재 중량의 25~35% 정도를 차지하는 리그닌은 지용성 페놀 고분자로써 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 감싸며 분해를 막고 있으므로 반드시 먼저 제거되어야 합니다. 2017년 하반기 준공 예정인 GS칼택스 바이오부탄올 데모플랜트의 부탄올 생산 공정도에도 나와 있듯이 화학처리 및 고액분리 등 전처리 과정이 반드시 필요합니다. (그림 1 참고)
<그림 1. 바이오부탄올 생산 공정도>
그림출처 : GS칼텍스, 폐목재로 바이오부탄올 생산한다…세계 첫 실증사업 시작,
<조선비즈>, 2016년 9월 29일
산림이나 목재 건축물을 분해하여 피해를 주는 목재부후균이라고 불리는 곰팡이류가 있습니다. 그들의 리그닌 처리 방법을 차용한다면 고비용의 화학처리 등의 전처리과정을 대처할 수 있지 않을까요? 부후균은 목재 주요 성분의 분해 방식에 따라 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 분해하는 갈색부후균(Brown rot fungi), 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌을 모두 분해하는 백색부후균(White rot fungi), 그리고 셀룰로오소를 우선 분해하고 소량의 리그닌을 분해하는 연부후균(Soft rot fungi)으로 나뉩니다. 2009년 산림과학원에서는 자생 진균류인 백색부후균의 리그닌 분해 효소 중 하나인 락카아제(laccase) 유전자를 이용한 형질전환체(GMO)를 개발하였고 4배 이상 뛰어난 효율을 보였다고 합니다.
<그림 2. 진황녹슨버짐버섯과 목재 부패 모습>
그림출처 : 위키백과
신기하게도 갈색부후균은 진화과정에서 리그닌 분해 능력을 잃었음에도 불구하고 백색부후균보다 더 빨리 나무를 분해합니다. 2012년 미에너지성공동연구소(DOE-JGI)를 포함한 세계적 연구팀이 갈색부후균 중 건부(마른부패, dry rot)를 일으키는 Serpula lacrymans(진황녹슨버짐버섯)의 유전체를 신규 해독(42.8Mb / 12,917 genes)하고 이미 밝혀져 있던 다른 부후균류, 외균근류와의 비교유전체 분석을 수행하여 갈색부후균의 리그닌 처리 기작을 밝혔습니다.
<그림 3. 비교유전체 분석 결과>
그림출처 : EASTWOOD, Daniel C., et al. 2011.
그물버섯목에 속하는 진황녹슨버짐버섯은 갈색부후균이지만 구멍장이버섯목의 Postia placenta 보다는 기주로부터 영양분을 획득하는 외균근류 중 하나인 Austropaxillus sp. (외균근)와 가장 유연관계가 가까우며 그들 간의 분화는 약 1,500만~5,300만 년 전에 이루어진 것으로 예측되었습니다(그림 3-A).
Gene expansion/loss 분석 결과 부후균류의 공통조상은 66~83개의 lignocellulose-active CAZy(carbohydrate-active enzymes) 유전자와 27~29개의 oxidoreductase를 갖고 있었던 것으로 예측되었고 진황녹슨버짐버섯에서는 각각 36개, 19개로 해당 유전자의 소실이 일부 확인되었습니다.(그림 3-B, C; branch의 숫자는 조상 개체의 copy number를, bar는 gene gain/loss range를 나타냄.) 당연하게도 리그닌 분해에 관여하는 class II peroxidases는 갈색부후균과 외균근 모두에 결여되었고 진황녹슨버짐버섯의 유전체에는 glycoside hydrolases(GH) 계열의 유전자가 많이 존재한다는 것이 밝혀졌습니다. 유전자 발현 분석으로 진황녹슨버짐버섯은 포도당(glucose)을 영양분으로 직접 획득할 때보다 소나무를 분해하여 에너지를 얻을 때 셀룰로오스, 펙틴, 헤미셀룰로오스를 분해하는 효소(GH families 5, 61, 3, 28 ; 20-fold)들과 GH5 endoglucanase, GH74 endoglucanase/xyloglucanase(100-fold) 및 oxidoreductases(4-fold) 유전자의 발현을 증가시켰음이 확인되었습니다.
논문에서는 진황녹슨버짐버섯이 목재를 분해하는 메커니즘을 아래 그림과 같이 제안하였습니다.
<그림 4. 진황녹슨버짐버섯의 목재 분해 기작>
그림출처 : EASTWOOD, Daniel C., et al. 2011.
먼저 갈색부후균은 펜톤 반응 (Fenton reaction)을 통해 강력한 활성산소인 OH 라디칼(·OH)을 생성하여 세포벽을 공격함으로써 리그닌 구조를 느슨하게 만듭니다.
Fe2+ + H2O2 + H+ → Fe3+ + ·OH + H2O
펜톤반응 반응식
펜톤반응을 지속적으로 일으키기 위해서 glyoxal oxidase, copper radical oxidase 등 다양한 산화효소 (oxidase)의 대사작용을 일으켜 과산화수소(H2O2)를 생성하고 atromentic acid, xerocomic acid, variegatic acid 등 phenolates와 iron reductase를 이용하여 Fe3+ 이온을 Fe2+ 이온으로 환원시킵니다. 진황녹슨버짐버섯에는 Postia placenta와는 달리 특이적인 iron reductase가 있습니다. 이 효소는 CBM(Cellulose binding module)을 이용하여 이미 어느 정도 분해된 lignocellulose(셀룰로오스와 리그닌 결합체)와도 결합이 가능하므로 철 이온 환원과 그로 인한 펜톤 반응이 꾸준히 일어날 수 있도록 돕습니다. 그 결과 셀룰로오스의 노출을 증가시켰고 결론적으로 셀룰로오스 분해 효율을 높였습니다. 실제로 해당 유전자의 발현이 122-fold나 증가하였음이 실험을 통해 확인되었습니다.
그러나 OH 라디칼(·OH)은 매우 강력한 산화제이기 때문에 갈색부후균 자신과 셀룰로오스 분해 효소 역시 영향을 받을 수 있다는 점에서 의문이 남습니다. 먼저 펜톤반응은 균사가 식물 세포 내로 침투하였을 때 세포질에서 발생하는 것으로 스스로는 해를 입지 않습니다. 셀룰로오스 분해 효소의 경우 화학적으로 OH 라디칼(·OH)의 농도를 조절하여 보호한다는 설도 있었으나 최근 미국립과학원회보(PNAS)에 게재된 연구 결과에 따르면 활성산소를 필요로 하는 시기에만 단기적으로 생성하여 이용함으로써 문제를 피한다고 합니다.4)
갈색부후균은 에너지 소모가 큰 리그닌 분해 과정을 버리면서 새로운 기작(펜톤반응)을 통한 리그닌 처리 능력을 획득하거나 기생생물(외균근)로의 전환을 꾀했고, 결과적으로 펜톤반응 획득을 통해 보다 저비용으로 더 많은 에너지를 얻을 수 있게 되었습니다. 이러한 갈색부후균의 목재 분해 기작을 이용한다면 목재로부터의 바이오에탄올 생산 효율을 더욱 높이고 실용화를 앞당길 수 있을 것입니다.
끝으로 생물자원 확보의 중요성에 대해서도 생각해 볼 수 있습니다. 나고야의정서 발효에 따른 생물자원 전쟁 시대가 열린 지금, 전혀 생각지도 못했던 바이오에탄올 생산에 곰팡이가 이용될 수 있듯이 잠재적 가치가 무궁무진한 다양한 자생종에 대한 유전체 분석을 통하여 유용 생물자원을 선점하여야 할 것입니다.
Reference
1) 오늘 0시 '대한민국 1호 원전'이 멈췄다, <조건일보>, 2017년 6월 19일, 경제 B2 면
2) 문재인발 미세먼지 정책…‘신재생에너지 전환’ 시동걸까, <한겨레>, 2017년 5월 16일
3) EASTWOOD, Daniel C., et al. The plant cell wall–decomposing machinery underlies the functional diversity of forest fungi. Science, 2011, 333.6043: 762-765.
4) ZHANG, Jiwei, et al. Localizing gene regulation reveals a staggered wood decay mechanism for the brown rot fungus Postia placenta. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 201608454.
작성자 : R&D센터 BI그룹 정명희 주임연구원
Posted by 人Co
