빛을 사랑하는 효모가 바이오연료 접근 방식을 바꿀 수 있다

빛은 생명이다

인류 문명의 거의 모든 에너지는 궁극적으로 태양에서 비롯됩니다. 식량, 바이오매스, 목재는 햇빛 덕분에 자랍니다. 그리고 석탄, 가스, 석유는 수백만 년 전 죽은 식물로부터 형성되었습니다. 바람조차도 대기를 따뜻하게 하는 태양의 결과입니다. 물론 오늘날 우리는 태양광 패널을 가지고 있습니다. 살아있는 유기체가 태양 에너지를 활용하는 비율을 고려하면, 바이오연료라는 개념은 타당합니다.

문제는 옥수수, 사탕수수와 같은 작물이나 농업 잔류물을 이용한 1세대·2세대 바이오연료는 이러한 작물을 재배하는 데 화석 연료와 비료가 많이 사용되어 에너지 수율이 다소 낮다는 점입니다.

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3세대 바이오연료는 대신 조류를 활용하려 하고 있으며, 이에 대해서는 우리 기사 “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?“에서 자세히 다루었습니다.

하지만 모든 유기체가 광합성을 수행하도록 만들 수 있다면 어떨까요? 지금까지는 공상에 불과했지만, 조지아 공대 연구진이 부분적으로 이를 실현했습니다.

빛으로 구동되는 효모

효모는 아마도 세계에서 가장 잘 알려진 미생물일 것입니다. 인류는 문명 초기부터 효모의 생화학적 능력을 활용해 빵, 알코올, 발효유 제품을 생산해 왔습니다.

효모는 생물학 실험실에서 가장 흔히 사용되는 “모델” 유기체 중 하나이며, 수많은 의약품 및 유용한 바이오분자 생산을 위한 중요한 바이오공장 역할을 합니다.

하지만 효모는 살아 있기 위해 설탕이나 기타 화합물로 급여해야 합니다. 이는 Anthony Burnetti 연구원이 William Ratcliff 교수의 연구실에서 빛 에너지를 수확할 수 있는 효모를 만들기 전까지는 사실이었습니다.

“우리가 해야 할 일은 단 하나의 유전자를 옮기는 것이었고, 빛이 있는 곳에서 어둠보다 2% 더 빨리 성장했습니다. 별다른 미세조정이나 정교한 유도 없이도 바로 작동했습니다.”

완전히 새로운 유형의 효모

이 팀은 흔하고 광범위하게 존재하는 효모를 새로운 그리고 예상치 못한 잠재력으로 바꾸는 데 경험이 풍부합니다. 특히 그들은 이전에 “Multicellularity Long-Term Evolution Experiment“에서 단세포 효모를 복잡한 다세포 유기체로 변형시키는 데 성공했습니다.

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이 다세포 효모 유기체의 성장 제한은 내부 “조직”에서 산소에 접근하는 것이었습니다. 그래서 연구진은 효모를 광합성 유기체로 만들기로 했습니다.

이를 위해 효모에 로돕신이라는 단백질을 추가했습니다. 이 단백질은 엽록소와 같은 복잡한 식물 단백질 없이도 어느 정도 광합성을 수행할 수 있는 것으로 알려져 있습니다.

단 하나의 로돕신 단백질을 코딩하는 유전자를 추가함으로써 효모는 빛을 포착하고 더 빨리 성장할 수 있게 되었습니다. 성장률은 modest하게 +2% 증가했지만, 단순한 변화라는 점에서 의미가 큽니다. 아직 이 성장 향상은 최적화되지 않았습니다.

합성생물학을 이용한 바이오연료

지금까지 바이오연료 연구는 이미 광합성을 하는 식물(옥수수, 사탕수수, 조류)을 개량해 경제적으로 타당한 수준으로 만들려는 시도를 해왔습니다.

하지만 이는 여러 난관에 부딪혔습니다. 옥수수와 같은 고등 식물과 작물의 바이오물질은 쉽게 얻을 수 없으며, 이를 에탄올로 전환하면 많은 에너지 손실이 발생합니다. 한편 조류는 더 유망하지만, 오염 없이 재배하는 것은 결코 간단한 작업이 아닙니다.

반대로 효모는 대규모 산업 공정에서 일상적으로 수행되는 잘 알려진 과정입니다. 효모를 조류의 대체재로 만들면 새로운 바이오연료 합성 방법이 열릴 수 있습니다. 복잡한 조류 배양 과정에 의존하는 대신, 효모나 박테리아가 햇빛만으로 성장하도록 설계한다면 산업 규모로 쉽게 생산할 수 있는 장점이 있습니다.

생명공학으로 만든 연료 원료

전체적으로 보면, 이는 아직 매우 초기 단계이며 전망이 밝은 바이오연료 연구 및 생명공학 분야입니다. 따라서 이를 현실화하려는 기업들은 합성생물학 및/또는 바이오연료 생산에 대한 높은 전문성을 갖춰야 할 것입니다.

아래 목록은 조지아 공대 연구진의 발견에 잠재 가능성을 볼 수 있는 기업들의 예시일 뿐입니다.

1.  Reliance Industry

Reliance Industry는 인도 최대 규모의 대기업으로, 통신, 섬유, 에너지 분야에서 활동하는 국내 최대 민간 기업입니다. 2022년에 연매출 1,000억 달러를 돌파한 최초의 인도 기업이기도 합니다.

Reliance는 2022년에 조류 바이오연료 시장에 진출한다는 것을 발표했으며, “세계에서 가장 큰 조류 재배 시스템 중 하나”를 보유하고 있다고 자랑했습니다. 지금까지 에너지 포트폴리오는 주로 정유 및 석유화학 공장이었지만, 이번 조류 프로젝트를 통해 인도(및 미개발 사막 지역)의 풍부한 햇빛을 활용해 생산을 시작하고 해외 화석 연료 수입에 대한 국가의 과도한 의존도를 낮출 수 있을 것으로 기대됩니다.

이 회사는 또한 농업 폐기물로부터 바이오가스 생산에도 활발히 참여하고 있어 인도 최대 바이오에너지 생산업체로 자리매김하고 있습니다.

2. Ginkgo Bioworks

이 회사는 특정 용도에 맞는 맞춤형 유기체를 주문형으로 생산합니다. 여기에는 의료 분야뿐 아니라 다양한 산업 및 소재 과학 프로그램도 포함됩니다.

Gingko는 Reliance와 같은 대형 산업 콘글로머리트가 바이오연료 생산에 특화된 맞춤형 효모를 엔지니어링하기 위해 의뢰할 수 있는 전형적인 기업입니다.

Gingko Bioworks는 다양한 연구 프로그램 및 파트너십을 통해 적용 분야를 넓혔습니다:

• Cannabinoids
• mRNA vaccine production and nucleic acid medicine
• Food proteins
• Biological fertilizer production in partnership with Bayer
• Programmable microbes for gut diseases
• Microplastics bioremediation
• Biosecurity and pathogens detection
• Recycling waste and contaminants

It makes money by being first paid upfront for the development process and then through royalties on the finished product.

2023 was a bountiful year for Gingko, with tens of partnerships, including:

• $331M deals with Pfizer.
• $490M deal with Merck to optimize biologics manufacturing.
• $406M deal with Boehringer Ingelheim for undruggable targets.
• Collaboration with Biogen and Novo Nordisk for undisclosed amounts.

출처: Gingko Bioworks

Ginkgo Bioworks (DNA ) 는 대부분의 주요 농업 기업과 파트너십을 맺고 있으며, 이들 기업 대부분은 바이오연료 생산 및 미생물학에 관심이 있습니다. 몇몇 예로는 Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta 등이 있습니다.