전기를 신체 세포에 동력을 공급하는 연료로 변환한다

재생 가능한 전력으로 생성된 아데노신 삼인산은 잠재적으로 단백질과 의약품 제조에 사용될 수 있습니다. 발전소는 아주 오래전 식물이 저장한 태양 에너지를 전기로 전환하기 위해 끊임없이 화석 연료를 태웁니다. 그러나 전기를 생물학적으로 유용한 형태의 에너지로 전환하는 다른 방향으로 나아가는 것은 훨씬 더 어려웠습니다.

 

그러나 이제 간단한 화학적 방식으로 전기 에너지를 모든 세포에서 사용되는 화학 연료인 아데노신 삼인산으로 변환할 수 있다고 연구팀이 보고했습니다. 이 과정을 통해 재생 가능한 자원에서 나오는 전기는 언젠가 단백질 보충제부터 의약품까지 모든 것을 만드는 바이오 공장에 전력을 공급할 수 있습니다.

 

스탠포드 대학의 생명공학자인 마이클 크리스토펏 제웻은 "이것은 정말 흥미롭다"라며, "이 새로운 접근 방식은 생물학적 과정을 활용하여 자연이 결코 필요로 하지 않았지만, 사회에 도움이 될 수 있는 기능을 수행한다"라고 말합니다.

 

식물 세포 내에서 엽록체라고 불리는 소기관은 광합성 과정의 일부로 햇빛을 사용하여 심인산을 생성합니다. 그러면 심인산는 신진대사에 필수적인 수많은 반응을 촉진합니다. 심인산 분자가 사용되면 인산염 그룹 중 하나가 제거되어 아데노신 이인산염 또는 심인산이 생성됩니다. 그런 다음 심인산은 재활용되고 더 많은 포집된 에너지를 공급하여 심인산을 재생합니다. 초식 동물은 포도당을 연소하여 동일한 주기에 전력을 공급합니다. 이 주기는 모든 세포에서 초당 약 천만번 발생합니다.

 

산업 생명공학자들은 특별히 사육되거나 변형된 미생물을 활용하여 바이오 연료부터 의약품까지 모든 것을 제조함으로써 이 순환을 활용합니다. 프로세스는 일반적으로 효모, 대장균 또는 기타 산업 미생물에 공급될 수 있는 설탕이나 기타 식품을 만들기 위해 식물을 재배하는 것으로 시작됩니다. 미생물은 음식을 사용하여 원하는 생화학 반응을 일으키는 심인산을 생성합니다. 그러나 식물은 일반적으로 햇빛 에너지의 1%만을 당이나 다른 화합물로 변환하므로 이러한 과정은 비효율적입니다.

 

대조적으로, 태양전지는 일반적으로 햇빛 에너지의 20% 이상을 전기로 변환합니다. 이러한 차이를 고려하여 막스 플랑크 협회 육상 미생물학 연구소의 합성 생물학자인 토비아스 J. 어브와 그의 동료들은 전기를 심인산으로 보다 직접적으로 변환하는 방법을 모색했습니다. 다른 사람들은 이전에 시도한 적이 있습니다. 2016년 스페인의 연구자들은 심인산 합성효소라고 불리는 심인산 생성 효소의 복사본을 전극에 인접한 막에 정확하게 배치함으로써 이를 수행했습니다.

 

어브는 "이 접근 방식은 실험실에서는 효과가 있었지만, 실용적이기에는 너무 복잡해 보였다"라고 말했습니다. 그의 연구팀은 용액에 있는 4개의 효소가 전기를 활용하고 이를 사용하여 시약으로 추가된 이인산를 심인산으로 변환하는 'AAA 사이클'을 만드는 더 간단한 접근 방식을 고안하기 시작했습니다. 이 과정의 핵심은 바로 9년 전에 박테리아에서 분리된 알데히드 페레독신 산화환원효소라고 불리는 텅스텐 함유 효소라고 Erb는 말합니다. 산화환원효소는 이인산를 심인산으로 직접 변환할 수 없습니다. 오히려 프로세스에 전력을 공급하는 엔진처럼 작동합니다. 어브는 "AOR은 에너지 변환기이다"라고 말합니다.

 

AOR은 전극에서 전자쌍을 잡아 이를 사용하여 프로피온산이라는 시작 화합물에 에너지가 풍부한 화학 결합을 추가하여 프로피온알데히드로 전환합니다. 그런 다음 다른 효소는 최종 효소가 시작 화합물을 다시 만들 때까지 해당 화학 물질을 추가로 변형하여 결합의 에너지를 방출하면서 주기를 다시 시작합니다. 막스 플랑크 연구소의 박사 후 연구원이자 이번 연구의 주요 저자인 샨샨 루오는 "이 과정은 심인산를 생성하는 데 사용되는 에너지를 방출한다"라고 말합니다. 그런 다음 팀은 이 심인산을 사용하여 무세포 환경에서 유전자를 리보핵산과 단백질로 전환시켰으며, 그 결과는 최근 학회에게 보고되었습니다.

 

스탠포드의 합성 생물학자인 드류 엔디는 "간단한 AAA 주기는 영리하고 우아한 접근 방식이다. 이는 생물학이 자연적으로 심인산을 만드는 방법보다 훨씬 간단하다"라고 말합니다. 이는 식품에서 의약품에 이르기까지 모든 분야의 성장을 촉진하기 위해 전기를 사용하는 데 초점을 맞춘 전기생합성이라는 새로운 분야를 가능하게 하는 기술이 될 수 있다고 그는 덧붙였습니다.

 

엔디는 "이 가능성의 중요성을 아무리 강조해도 지나치지 않는다"라고 말합니다. 그러나 AAA 사이클은 개선되어야 합니다. 솔루션에서 AOR은 약 1시간 동안만 생존합니다. 그러나 어브는 "그의 연구팀이 이미 보다 안정적인 효소를 발전시키고 전극에 부착할 수 있는 젤 내부에서 효소를 보호하려고 노력하고 있다"라고 말했습니다. 둘 중 하나라도 성공하면 생명공학자는 곧 생산 공정에 전력을 공급하는 새로운 방법을 갖게 될 것입니다.