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효소enzyme 효율적으로 바이오연료를 생산하는 새로운 바이오매스 전처리 방법에 대해 알아보자.
2013-08-23 10:18:49
이엠생명과학연구원

효율적으로 바이오연료를 생산하는 새로운 바이오매스 전처리 방법

 

미국 에너지부(DOE; Department of Energy) 산하 LANL(Los Alamos National Laboratory) 연구진, GLBRC(Great Lakes Bioenergy Research Center) 연구진 및 미시간 주립대학(MSU; Michigan State University) 연구진 등으로 구성된 연구팀은 결정 셀룰로오스(crystalline cellulose) 내에 수소 결합(hydrogen bond) 네트워크를 재구성하는 새로운 바이오매스 전처리 방법을 개발했다.

새로운 방법은 셀룰로오스를 글루코오스(glucose)로 가수 분해하는 다른 전처리 방법과 비교했을 때, 당화 작용(saccharification)의 속도를 5배까지 강화시켜, 미생물 발효 또는 화학 촉매 반응을 통한 알코올과 탄화수소 같은 바이오연료의 전환을 가능하게 해준다.

셀룰로오스는 고도로 정렬되어 빽빽하게 채워진 분자의 시트 같은 네트워크로 자체적인 방향성을 갖는 경향이 있다. 이러한 시트들은 자체적으로 적층되어 있으며, 수소 원자들 사이의 상호 작용으로 인하여 서로서로 매우 단단하게 결합되어 있다. 이러한 적층(stacking)과 결합 배열(bonding arrangement)은 효소가 개별적인 셀룰로오스 분자의 대부분을 직접 공격하여 셀룰로오스 분자 내에 당 사슬(sugar chain)을 분리하는 것을 방해한다. 새로운 전처리 공정은 네트워크 내에서 수소 결합의 강도를 줄여준다.

차례로 수소 결합 강도의 감소는 셀룰로오스 네트워크의 견고함을 상당히 줄여주고 곰팡이로 유발되는 셀룰로오스를 가수 분해하는 효소에 의해 당으로 전환하는 데 있어서 보다 더 취약하게 해준다. 따라서 이러한 새로운 접근은 리그노셀룰로오스계 바이오매스(lignocellulosic biomass, 목질계 바이오매스)의 경제적인 전환을 달성하는 데 필요한 효소 부하량(enzyme loading)을 상당히 줄여준다고 Journal of the American Chemical Society에 발표된 논문을 통해 연구진은 지적했다. 또 이 연구는 셀룰로오스 난분해성(cellulose recalcitrance) 특성에 대한 기초적인 견해를 제공한다.

몇 가지 다른 접근 방안이 리그노셀룰로오스(lignocellulose, 목질 섬유소)의 복잡한 구조를 방해하여 글루코오스로의 전환을 가속시키기 위하여 물과 효소의 접근을 보다 더 용이하게 만드는 셀룰로오스성 구성 성분을 만드는 전 처리 방안을 개발 중이다. 이러한 접근 방안은 열화학적 전처리의 두 가지 주요 범주로 분류될 수 있다. 첫 번째 범주의 유형은 헤미셀룰로오스 또는 리그닌을 제거하고, 결정 셀룰로오스 피브릴(crystalline cellulose fibrils)을 삽입하여 효소의 접근성을 증가시키는 것이다. 반면 두 번째 범주의 유형은 셀룰로오스의 결정성을 방해하여 글리코시드 결합(glycosidic bond) 접근성을 강화시키는 것이다.

85% 인산(phosphoric acid) 같은 산화제 또는 이온성 액체(ionic liquids)를 사용하는 방법을 제외한 대부분의 열화학적 전처리는 첫 번째 범주에 포함된다. 그러나 비용 효율적인 이용 및 이러한 화학 물질의 재활용과 관련된 복잡성은 이러한 접근의 신속한 상업화에 걸림돌이 되고 있다.

셀룰로오스 전환을 개선하기 위한 또 다른 방안은 결정 셀룰로오스 가스분해에 대한 특정 활동을 강화하도록 효소를 조작하는 것이다. 그러나 셀룰로오스 분해를 촉진하는 분자 수준의 효소 메커니즘에 대한 이해의 상당한 진보에도 불구하고, 효과적인 셀룰라아제를 공학적으로 조작하는 것은 중요한 도전 과제로 남아있다. 대체적인 접근은 중합해체 반응(depolymerization)의 속도를 증가시키기 위하여 셀룰로오스 결정 구조를 변경하는 회수가 가능한 저렴한 화학 물질을 사용하는 것이라고 이 논문의 제 1 저자인 Shishir P. S. Chundawat는 밝혔다.

연구팀이 개발한 접근은 중합해체 반응 역학을 강화하기 위하여 암모니아(ammonia)를 이용하여 촉매화 되는 셀룰로오스 결정 형성 사이의 구조적인 전환이 관여한다. 이러한 암모니아를 이용한 전처리는 보고된 셀룰로오스 이형태(cellulose allomorph) 가운데 비결정 셀룰로오스(amorphous cellulose)의 효소 가수 분해 속도(enzymatic hydrolysis rates)와 가장 유사한 효소 가수 분해 속도를 갖는 셀룰로오스 IIII(cellulose IIII)를 생성시킨다.

암모니아는 자연적으로 발생하는 셀룰로오스 Iβ(cellulose Iβ)를 셀룰로오스 IIII로 전환시키고, 이러한 과정은 셀룰로오스의 인트라시트 수소 결합(intrasheet hydrogen bond)의 수를 감소시켜 인터시트 수소 결합(intersheet hydrogen bond)의 수를 증가시킨다. 셀룰로오스 IIII 내 수소 결합 네트워크의 재배열은 ~50%에 이르는 물과 용매에 노출된 글루칸 사슬(glucan chain) 수소 결합의 수를 증가시키고, 당화 작용 속도를 5배까지 강화시키며, 최대 표면과 결합하는 셀룰라아제의 용량은 60-70%까지 줄여준다. 외형적인 셀룰라아제 활성의 강화는 셀룰로오스 IIII 페브릴 표면의 비결정 특성에 기여하고 글루칸 사슬의 추출을 보다 더 용이하게 해준다.

셀룰로오스 수소 결합 네트워크 내의 미묘한 변경은 셀룰로오스 분해를 강화하는 흥미로운 방법을 제공하고 셀룰로오스 난분해성에 독특한 견해를 제공한다. 이러한 접근은 참신한 전처리 방안의 개발에 대한 틀에 박히지 않는 경로 및 비용 효율적인 바이오연료 생산을 위한 셀룰라아제의 공학적인 조작으로 이어질 수 있다.

 

출처 : http://www.greencarcongress.com/2011/07/lanl-20110720.html 




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