KAIST가 에탄으로 강력한 온실가스 메탄을 줄이고 바이오플라스틱을 만들 수 있는 기술적 이론을 제시했다.
메탄(CH4)은 이산화탄소보다 25배 강력한 온실가스로, 다양한 부성분과 홈합 형태로 대기 중에 방출되며, 특히 천연가스에서 에탄(C2H6)이 메탄과 함께 배출된다.
KAIST 건설및환경공학과 명재욱 교수팀이 미국 스탠퍼드대와 공동연구로 천연가스의 주요 부성분인 에탄이 ‘편성 메탄산화균(obligate Methylosinus trichosporium, OB3b)’의 핵심 대사에 미치는 영향을 규명했다.
메탄산화균은 산소가 있는 조건에서 메탄을 에너지원으로 사용해 생장할 수 있는 세균으로, 편성 메탄산화균은 메탄이나 메탄올 등 염소화합물만을 성장 기질로 활용하는 특징이 있다.
연구팀은 에탄이 성장 기질로 사용되지 않음에도 편성 메탄산화균의 메탄 산화, 세포 성장, 생분해성 고분자인 폴리하이드록시부티레이트(PHB) 합성 등 주요 대사 경로에 유의미한 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다.
PHB는 생분해성 바이오플라스틱의 원료로 주목받는 고분자 물질이다.
연구팀은 다양한 메탄 및 산소 농도조건에서 에탄을 첨가해 메탄산화균을 배양한 결과 세포성장 억제, 메탄 소비 감소, PHB 합성 증가 등 세 가지 대사반응이 일관되게 나타났고, 이런 변화는 에탄 농도가 증가할수록 두드러짐을 규명했다.
또 에탄은 단독으로 메탄산화균에서 반응하지 않고 세균 역시 에탄만 주어졌을 때는 성장하지 않았지만, 메탄과 함께 존재할 경우 메탄을 산화하는 핵심 효소 ‘입자상 메탄모노옥시게네이스(pMMO)’를 통해 에탄이 함께 산화되는 ‘동시 산화’현상을 관찰했다. 에탄이 산화되는 과정에서 생성되는 중간 대사산물 아세테이트는 메탄산화균의 세포 성장을 억제하는 동시에 PHB 생산을 촉진한다.
이 같은 작용은 균이 처한 영양상태에 따라 상반된 양상을 보였다. 영양이 충분한 상태에서는 에탄이 세포 성장에 부정적 영향을 미치지만, 영양 불균형 상태에서는 오히려 PHB 축적을 유도해 긍정적 효과를 가져왔다.
에탄을 첨가했을 때 메탄 소비량은 감소했지만, 메탄 분해 효소인 pMMO를 구성하는 pmoA 유전자 발현에는 유의미한 변화가 없었다.
아울러 에탄이 유전자 전사 수준에서는 영향을 미치지 않으며, 대신 효소의 실제 활성수준이나 전사 이후 조절 단계에서 영향을 준다는 사실을 입증했다.
이에 대해 연구팀은 에탄이 메탄산화균의 대사 흐에을 간접적으로 관여하는 조절자 역할을 하며, 메탄과 함께 있을 때 의도치 않은 방식으로 세포 성장과 PHB 생산에 영향을 미친 것으로 분석했다.
이번 연구는 메탄산화균 대사에 대한 이론적 이해를 확충한 것은 물론 천연가스 같은 복합기질 기반의 고부가가치 물질 생산기술 개발과 더불어 생물학적 온실가스 저감 전략 수립에도 중요한 학술적·산업적 기반이 될 전망이다.
명 교수는 “이번 연구는 메탄산화균을 활용한 생분해성 고분자 생산 전략 개발 및 최적화에 실질적으로 기여할 수 있을 것”이라며 “향후 기후변화 대응 기술과 바이오 리파이너리 기반 고부가가치 물질 생산 전반에 응용 가능성을 제공할 것으로 기대된다”고 설명했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 건설및환경공학과 박선호 박사과정이 제1 저자로 수행했고, 연구결과는 지난달 10일 국제학술지 응용 환경미생물학(Applied and Environmental Microbiology)‘에 게재됐다.
(논문명 : Non-growth substrate ethane perturbs core methanotrophy in obligate methanotroph Methylosinus trichosporium OB3b upon nutrient availability / 저자정보 : 박선호(KAIST, 제1저자), Chungheon Shin(Standford University), Craig S. Criddle (Standford University), 명재욱(KAIST, 교신저자) / ※ DOI: 10.1128/aem.00969-25)
