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미생물이야기 Serpula lacrymans (갈색부후균)로, 건부(마른부패, dry rot)를 일으켜 건축물 등 목재의 부패를 일으키는 균
2013-08-14 12:24:01
이엠생명과학연구원

미에너지성공동게놈연구소(DOE-JGI)를 포함한 세계적 연구팀이 저명한 저널인 사이언스 지에 논문을 발표 하였다. 유전체 해독이 이루어진 균은 Serpula lacrymans (갈색부후균)로, 건부(마른부패, dry rot)를 일으켜 건축물 등 목재의 부패를 일으키는 균이다.

 

 갈색 부후균이 해독대상으로 선정 된 이유는 나무의 구성성분인 셀룰로오스를 분해하는 능력을 가지고 있기 때문이다. 이러한 능력은 바이오에너지의 생산에서 매우 중요한데, 기존의 바이오에너지의 생산에 옥수수, 사탕수수를 이용한 연구가 이루어 졌으나, 식량작물의 부족에 의해 식물 부산물 및 목재의 셀룰로오스를 이용한 바이오에너지 생산을 위한 연구가 활발해졌기 때문이다.(셀룰로오스는 다당류로써, 분해를 통해 에탄올 등 다양한 바이오 메스의 생산이 가능하다.)

 

그러나 실재 목재에서는 리그닌이라는 분해가 매우 어려운 물질이 셀룰로오스를 감싸 목재를 단단하게 하는 역할을 한다. 이에 기존의 방식으로는 석탄/석유를 이용한 고온고압의 증기를통해 리그닌을 분해해 왔으나 보다 효율적인 바이오연료 생산기술개발의 연구에 이 리그닌을 처리하기 위한 다양한 연구가 이루어 져왔다. 이번 갈색부후균의 연구 결과에서 더욱 주목할 점은 이번 해독된 갈색부후균은 이러한 리그닌을 제거하지 않고도 셀룰로오스의 분해가 가능한 능력을 가지고 있는점이다.

 

이번 유전체 해독은 미에너지성공동게놈연구소(DOE-JGI) 및 다양한 연구진들에 의한 유전체 해독이 이루어 지게 되었다. S. lacrymans의 유전체를 해독 함으로써, 어떠한 화학작용을 통해 리그닌의 분해 없이도 셀룰로오스의 분해가 가능해 지게 한 유전적 특성을 파악하고자 하였다.

 

그림 1. S. lacrymans 의 전사체 분석결과. 오른쪽은 배지배양시와 목재에서의 전사체 발현 양상 비교.

 

S.lacrymans의 유전체는 42,8Mb이며 12,917개의 유전자를 포함하고 있다. 기 해독된 10개의 균류 들과의 비교유전체 연구를 수행하여, 유전체 상의 다양한 유전자 분포를 확인 하였다. 그 결과 글리코시드 가수분해효소(Glycoside hydrolase)인 GH5(글루칸분해,셀룰로오스 분해), GH28(펙틴분해,다당류 분해) 유전자계통이 두 종류의 갈색부후균에서 풍부하게 분포 하는 것을 파악하였다. 이러한 효소들은 셀룰로오스를 분해 하는 역할을 하게 된다.

 

또한 갈색부후균의 경우 산화환원효소유전자[철, 퀴논(방향족 화합물) 환원효소, 다중구리 산소첨가효소(multicopper oxygenase) 등]를 가지고 있었다. 갈색부후균이 생산하는 과산화수소 및 산화환원효소는 철과 반응하여 '펜톤반응(Fenton reaction)'이라 불리는 반응을 일으킨다. 철과 과산화수소 사이의 반응결과 반응성이 매우 높은 자유라디칼(free radical)을 생산하고, 이는 유기물에 대한 강한 반응성으로 세포구성물질을 산화 시키는 역할을 한다.

 

                                                                 - 펜톤반응식 -

                                            Fe2+ + H2O2 + H+ → Fe3+ + H2O +•OH

 

이러한 강력한 반응성으로, 유기물질을 산화시키는 능력을 이용해 단단한 목재에 침투하고, 리그닌분해효소의 생산이 없이도 셀룰로오스에 접근이 가능하다. 이후 다양한 탄수화물분해효소를 통해 셀룰로오스의 분해가 가능해 지게 된다.

 

 기존의 균류가 리그닌의 저해에 따른 낮은 셀룰로오스분해 능력을 가지거나, 리그닌 저해 효소를 생산하고, 셀룰로오스의 분해가 가능하였던 반면, 이번 해독된 S. lacrymans 는 과산화수소의 생산 및 펜톤반응에 의해 생성되는 강력한 산화물질을 무기로 보다 효율적으로 생존에 필요한 에너지를 얻어낼 수 있었던 것이다.

 

 연구진들은 이번 유전체 해독 연구를 통해 목재를 이용한 바이오에너지 생산에 리그닌의 분해과정 없이도 셀룰로오스의 분해가 가능하게 한 유전적 원인을 밝혀 내었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 보다 효율적인 목질계 바이오에너지의 생산 기술 개발이 가능할 것으로 기대 하고 있다.




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