유전자 조작으로 '발전할 수 있는 대장균'이 등장

대장균의 유전자를 조작하여 발전능력을 부여함으로써 환경에 유해한 유기물이 대량으로 함유되어 있는 공장폐수로 증식할 수 있는 발전 박테리아가 탄생한 것으로 보고되었습니다.

Bacteria generate electricity from wastewater - EPFL
https://actu.epfl.ch/news/bacteria-generate-electricity-from-wastewater/

Scientists Engineer E. Coli Bacteria to Generate Electricity : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/scientists-engineer-e-coli-bacteria-to-generate-electricity

Scientists Engineer E. Coli Bacteria to Generate Electricity

1988년에 뉴욕에 있는 오네이다 호수에서 발견된 'Shewanella oneidensis'라는 세균은 금속을 환원하여 대사하고 전기에너지를 발생시키는 능력으로 주목을 받았는데, 증식에 특정 화학물질이 필요해 응용이 제한되는 어려움이 있었습니다.

by Shewanella oneidensis / https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Shewanella_oneidensis.png

스위스 연방공과대학 로잔교의 알데미스 보고시안 교수 연구팀은 2023년 9월 8일 과학지 Joule에 게재한 논문에서 일반적인 대장균(E. coli)의 유전자를 조작해 Shewanella oneidensis와 같은 발전능력을 획득하는 데 성공했다고 발표했습니다.

연구팀은 우선 대장균의 게놈을 변경하고 세균의 세포 내에서 세포외로 전자를 전달하는 대사과정인 세포외전자전달(EET)을 부여하여 발전효율이 높은 '전기미생물'을 만들어 냈습니다.

이렇게 태어난 발전능력을 가진 대장균은 Shewanella oneidensis'의 발전능력의 일부 밖에 갖고 있지 않은 종래의 바이오 공학 대장균의 2배 이상의 발전량을 발휘했다고 합니다.

연구팀은 “이 연구의 중요한 혁신 중 하나는 대장균 내에서 완전한 EET 경로를 구축한 것으로, MR-1의 구성요소를 통합하여 세포의 내부와 외부에 걸쳐 최적화된 경로를 만드는 데 성공했다”고 설명했습니다.

하지만 발전하는 능력을 가진 박테리아가 섬세하거나 특수한 먹이가 필요하거나, 번식시키는데 대량의 에너지가 필요하다면 의미가 없습니다.

그래서 연구팀은 스위스 로잔에 있는 현지 맥주 양조장에서 폐수를 모아 거기에 새로 개발한 대장균을 투입하는 실험을 실시했습니다. 맥주 양조장은 원료가 되는 곡물의 세정이나 탱크의 세정을 위해서 물을 사용하는데 폐수에는 대량의 당분이나 전분질, 맥주효모의 혼합물이 포함되어 있어서 그대로 흘러내리면 미생물이 과번식하기 때문에 후처리하여 배출해야 합니다.

실험 결과 연구팀이 투입한 대장균은 맥주 양조장의 폐수 속에서 대량으로 증식했는데, 이에 반해 Shewanella oneidensis는 거의 전혀 번식할 수 없었습니다.

보고시안 교수는 “유기 폐기물을 처리하는 동시에 전력을 생산하는 일석이조 시스템으로, 바이오 엔지니어링한 전기 미생물은 폐기물을 먹이로 하여 비약적으로 증식할 수 있었다"고 전했습니다.

이번 연구를 활용할 수 있는 분야는 폐기물 처리에 한정되지 않습니다. 유전자 조작된 대장균은 다양한 자원에서 발전할 수 있기 때문에 미생물 연료전지나 바이오센싱 등 폭넓은 용도를 생각할 수 있습니다.

논문의 필두저자인 모하메드 모히브 씨는 “우리는 생체전기 박테리아의 미래에 흥분하고 있으며 기업이 이 기술을 대규모로 확대할 것”이라고 전망했습니다.