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Nov 06, 2023

메탄을 생산하면서 질소로 자랄 수 있는 '뜨거운' 미생물에 대한 통찰

2022년 11월 22일 기준

2022년 11월 22일

막스 플랑크 소사이어티

막스 플랑크 해양 미생물학 연구소의 과학자들은 메탄(CH4)과 암모니아(NH3)를 생산하면서 질소(N2)를 고정할 수 있는 미생물의 배양을 성공적으로 강화하고 미생물의 대사에 대한 흥미로운 세부 사항을 조사했습니다.

탄소와 질소는 생명의 필수 요소입니다. Methanothermococcus thermolithotrophicus와 같은 일부 유기체는 둘 다의 순환에 중요한 위치를 차지합니다. 복잡한 이름 뒤에는 복잡한 미생물이 숨어있습니다. M. thermolithotrophicus는 해양 열을 좋아하는 메탄생성균입니다.

모래 해안과 염습지부터 심해까지의 해양 퇴적물에 서식하며 온도가 약 65°C인 것이 좋습니다. 수소(H2)를 이용해 질소(N2)와 이산화탄소(CO2)를 암모니아(NH3)와 메탄(CH4)으로 바꾸는 기술이다. 암모니아와 메탄 두 제품 모두 비료와 바이오연료 생산에 생명공학 응용 분야에 매우 흥미롭습니다.

막스 플랑크 해양 미생물학 연구소의 Tristan Wagner와 Nevena Maslać는 이제 발효조에서 이 미생물을 성장시키는 데 성공했습니다. 이는 어려운 노력입니다.

박사 과정의 일환으로 연구를 수행한 Maslać는 "N2를 고온, 산소 없이 고정하고 수소와 이산화탄소 수준을 감시하면서 이 미생물이 번성할 수 있는 완벽한 조건을 제공하는 것은 매우 복잡합니다."라고 말했습니다. 디. 프로젝트. "그러나 약간의 독창성과 인내를 통해 우리는 실험실에서 그것들이 번성하고 지금까지 보고된 가장 높은 세포 밀도에 도달하도록 만들었습니다."

배양이 시작되고 실행되면 과학자들은 미생물의 생리학을 자세히 조사할 수 있었고 나중에 미생물의 대사가 N2 고정에 어떻게 적응하는지 살펴봄으로써 연구를 더욱 심화시킬 수 있었습니다. "우리 동료인 Chandni Sidhu 및 Hanno Teeling과의 긴밀한 협력을 통해 우리는 생리학적 테스트와 차등 전사체학을 결합하여 M. thermolithotrophicus의 신진대사를 더 깊이 파고들 수 있었습니다."라고 Maslać는 설명합니다.

M. thermolithotrophicus의 대사 능력은 수수께끼입니다. 이 미생물은 세포 에너지를 얻기 위해 초기 무산소 지구에서 시작된 대사인 메탄 생성을 사용합니다. 포도당을 이산화탄소로 변환하기 위해 산소를 사용하는 인간과 비교할 때, 메탄 생성 물질은 메탄 생성을 통해 매우 제한된 양의 에너지만을 얻습니다. 역설적이게도 질소를 고정하려면 엄청난 양의 에너지가 필요하며 이로 인해 질소가 고갈됩니다.

Max Planck Research Group 미생물 대사 그룹 리더이자 수석 저자인 Tristan Wagner는 "이론적으로는 너무 무거워서 날 수 없지만 분명히 날 수 있는 호박벌과 비슷합니다."라고 말합니다. "이러한 에너지 제한에도 불구하고 이 매혹적인 미생물은 일부 환경에서 주요 질소 고정자로 밝혀졌습니다."

유기체가 질소를 고정하기 위해 사용하는 효소를 질소고정효소라고 합니다. 가장 일반적인 질소 분해 효소는 반응을 수행하기 위해 몰리브덴이 필요합니다. 몰리브덴 질소 분해효소는 식물 뿌리에서 공생체로 살아가는 박테리아에서 잘 연구되었습니다. 그들의 질소 분해 효소는 텅스텐산염에 의해 억제될 수 있습니다.

놀랍게도 브레멘 과학자들은 M. thermolithotrophicus가 N2에서 자라는 동안 텅스텐에 의해 방해받지 않는다는 사실을 발견했습니다. "우리의 미생물은 N2를 고정하기 위해 몰리브덴에만 의존하고 텅스텐에는 영향을 받지 않습니다. 이는 금속 획득 시스템의 적응을 의미하며 다양한 잠재적 응용 분야에 더욱 강력해졌습니다."라고 Maslać는 말합니다.

질소 고정, 즉 N2로부터 질소를 얻는 것은 생물학적 주기에 질소를 삽입하는 주요 과정입니다. 산업용 비료 생산의 경우 이 공정은 Haber-Bosch 공정을 통해 수행됩니다. 이 공정은 질소를 인위적으로 고정하여 고온 및 고압에서 수소로 암모니아를 생성합니다. 이는 세계 농업을 유지하는 데 필수적인 비료인 세계 암모니아의 대부분을 생산하는 데 사용됩니다.