이산화탄소 먹고 자라는 대장균?

이스라엘 바이츠만 과학 연구소는 보통 유기물을 소비하고 이산화탄소를 배출하는 대장균을 이산화탄소를 흡수해 성장하는 형태로 유전자를 조작하는데 성공했다고 발표했다. 과학 학술지 네이처에 따르면 이산화탄소를 먹고 자란 대장균은 바이오연료 혹은 대기 중 이산화탄소 증가를 억제하는 아이디어로 기대할 수 있다.

식물이나 광합성을 하는 남세균(cyanobacteria)은 빛 에너지를 이용해 이산화탄소를 탄수화물로 변환하는 독립 영양 생물이다. 하지만 이런 생물은 유전자 조작이 어렵고 생물 공학 응용도 그다지 진행되지 않은 상황이다.

반면 대장균은 유전자 조작이 비교적 용이하다. 또 대장균은 배양이 쉽고 성장이 빨라 유전자 변화를 최적화하고 변화를 빠르게 시험할 수 있다. 하지만 대장균은 포도당 등 당으로부터 탄소를 획득해 대사에 이용해 이산화탄소를 폐기물로 배출하는 종속 영양 생물이다.

연구팀은 포도당 대신 이산화탄소를 탄소원으로 이용하는 대장균 연구를 수행하고 있다. 대장균이 이산화탄소를 소비하면 지구 온난화 영향을 잠재적으로 억제할 것으로 예상된다고 한다. 연구팀은 식물과 박테리아가 광합성에 사용하는 효소를 발현하는 유전자를 대장균 DNA에 삽입했다. 이 효소는 이산화탄소로부터 유기물을 합성하는데 필요한 에너지를 빛 에너지로부터 얻을 수 있다. 하지만 대장균은 광합성을 하지 않는다. 따라서 연구팀은 포름산에서 전자를 꺼내 에너지로 변환하는 효소 유전자를 대장균 DNA에 삽입했다.

연구팀은 지구 대기보다 250배 농도 이산화탄소와 소량 포도당만 주고 대장균을 배양해 환경 적응을 통해 이산화탄소만을 탄소원으로 하는 대장균이 돌연변이가 될 것으로 예상했고 배양 시작 후 200일 뒤에 마침내 이산화탄소 만으로 유기물을 합성하는 대장균이 등장했다.

실험실 조건에선 독립 영양 생물로 거듭난 대장균은 이산화탄소 농도 10% 대기 중이면 18시간마다 2배로 증가한다. 하지만 지구 대기 정도 이산화탄소 농도 그러니까 0.04%에선 포도당 없이 생존할 수 없다. 연구팀은 대장균이 이산화탄소를 흡수하도록 진화하는 과정을 공개하고 박테리아 성장 속도를 더 빠르게 하는 것, 더 낮은 이산화탄소 농도에서도 성장할 수 있도록 하는 걸 앞으로 과제로 꼽고 있다.

전문가는 이번 연구가 생물공학 발전을 통해 자연계를 개선할 수 있다는 사실을 보여준다면서 개념 증명 상태인 만큼 이 대장균이 최적화되려면 몇 년은 더 걸릴 것으로 추정했다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.