Propionate production by Bacteroidia gut bacteria and its dependence on substrate concentrations differs among species - 논문 리뷰

본 리뷰에서는 Carolin Döring와 Mirko Basen이 발표한 논문 "Propionate production by Bacteroidia gut bacteria and its dependence on substrate concentrations differs among species"를 다룹니다. 이 논문은 Bacteroidia 계열의 장내 박테리아들이 프로피온산(propionate)을 어떻게 생산하는지, 그리고 그 생산이 기질 농도에 따라 어떻게 달라지는지를 종(species) 단위로 비교한 연구입니다. 프로피온산은 식품 보존제 및 플랫폼 화학물질로서 산업적으로 가치가 높은 물질이지만, 아직까지는 석유화학 공정이 주요 생산 방식입니다. 본 연구는 프로피온산의 바이오 생산 가능성을 모색하며, 특히 다양한 Bacteroidia 종들을 비교하여 프로피온산 생산성이 뛰어난 균주를 식별하고 그 생리적, 유전적 특성을 분석함으로써 향후 바이오 기반 생산 공정의 가능성을 제시합니다.

연구 배경 및 중요성

프로피온산은 항균 및 항곰팡이 특성 덕분에 식품과 동물 사료의 보존제로 널리 사용되며, 최근에는 화장품, 의약품, 셀룰로오스 기반 플라스틱의 전구체로도 주목받고 있습니다. 연간 수요는 꾸준히 증가하고 있으며, 현재는 대부분 석유 기반 공정에 의해 생산되고 있습니다. 그러나 이들 공정은 높은 온도와 압력, 고가의 촉매를 필요로 하며, 환경적으로 지속 가능하지 않습니다. 이러한 상황에서 미생물을 활용한 프로피온산 생산 공정은 재생 가능한 자원을 기반으로 하여 에너지 소모가 적고, 친환경적일 수 있어 주목받고 있습니다. 특히, 장내 박테리아 중 Bacteroidia는 식물성 중합체를 분해하고 이를 유기산으로 전환하는 능력이 있어 바이오 전환의 유망한 후보군입니다.

연구 목적 및 배경

본 연구의 목적은 Bacteroidia 계열 균주들 간의 프로피온산 생산 특성을 비교하고, 특히 높은 수율을 보이는 균주를 선별하여 생리학적, 유전학적 특성을 심층 분석하는 것입니다. 기존 연구들은 Bacteroidia의 프로피온산 생산에 대해 단편적인 정보를 제공할 뿐 종 간 비교는 거의 이루어지지 않았습니다. 이에 저자들은 문헌 조사를 통해 프로피온산 생산이 보고된 균주들을 선별하고, 이 중 10종을 선택하여 동일 조건 하에서 배양 및 생산성을 비교했습니다. 이후 가장 우수한 생산성을 보인 두 종인 Bacteroides propionicifaciens와 Bacteroides graminisolvens를 대상으로 추가 실험을 수행했습니다.

연구 방법

• 문헌 조사를 통해 프로피온산 생산이 보고된 Bacteroidia 계열 균주들 선별
• 10종 균주를 동일한 조건 하에서 배양하여 프로피온산, 아세트산, 숙신산 등의 생산성 비교
• 최고 수율을 보인 두 균주에 대해 휴면세포 실험 및 Fed-batch 발효 진행
• 유전체 분석을 통해 주요 대사 경로 유전자 보유 여부 확인
• 탄소 및 전자 수지 분석을 통해 대사 경로 정량적 이해 시도

연구는 Bacteroidia 계열의 다양한 종을 대상으로 기본적인 포도당 배양 환경에서의 산물 생성 스펙트럼을 정량적으로 비교하는 데서 출발합니다. 이후 B. propionicifaciens와 B. graminisolvens를 중심으로 CO2 제한 조건, 휴면세포 상태, 그리고 pH-제어된 Fed-batch 발효 조건 등 다양한 환경 하에서의 대사 반응을 분석합니다. 또한 유전체 비교 분석을 통해 대사 경로의 유전자 구성 차이를 밝히고, 이를 대사 산물과의 연관성을 탐구합니다.

주요 발견 및 결과

총 10종의 Bacteroidia 균주 중 B. propionicifaciens는 가장 높은 프로피온산 수율(0.39 g/g glucose)을 보였으며, B. graminisolvens는 두 번째로 높은 수율(0.25 g/g glucose)을 기록했습니다. 이 두 종은 아세트산 이외의 다양한 유기산을 함께 생성하였으며, 특히 B. graminisolvens는 높은 포름산 및 젖산 생성량을 보였습니다. 두 종은 유전체 상으로는 유사한 대사 경로 유전자를 보유하고 있었으나, 실제 발효 산물에서 상당한 차이를 나타내어 조절 수준의 차이가 존재함을 시사했습니다. 특히 CO2 농도에 따라 B. graminisolvens는 성장 및 프로피온산 생산이 민감하게 반응하였으며, B. propionicifaciens는 상대적으로 영향을 적게 받았습니다.

실험 결과 요약

균주	프로피온산 (mM)	아세트산 (mM)	숙신산 (mM)	젖산 (mM)	포름산 (mM)	수율 (gpro/ggluc)
B. propionicifaciens	13.8	6.8	0.0	0.0	1.0	0.39
B. graminisolvens	8.8	3.5	3.7	0.0	6.4	0.25

표는 DMMG-Y 배양 조건에서의 주요 대사 산물 농도와 프로피온산 수율을 나타냅니다. B. propionicifaciens는 주로 프로피온산과 아세트산만을 생성한 반면, B. graminisolvens는 다양한 부산물을 동반 생산했습니다. 이는 두 균주의 대사 흐름과 전자 수지 전략이 상이함을 보여줍니다.

한계점 및 향후 연구 방향

본 연구는 프로피온산 생산성 비교를 위해 단일 당인 포도당을 사용하였으며, 실제 바이오매스 전환에서 기대되는 복합 기질 조건은 실험하지 않았습니다. 또한 프로피온산 외의 부산물 생산이 많은 B. graminisolvens의 경우, 실제 산업 응용에서 정제 비용이 증가할 수 있습니다. 향후 연구에서는 다양한 농업 부산물 기질에서의 생산성 비교, 유전자 조작을 통한 부산물 억제 및 경로 최적화, 생리적 스트레스 조건에서의 반응 분석 등이 필요합니다.

결론

Bacteroidia 계열 박테리아의 프로피온산 생산 가능성을 체계적으로 비교한 본 연구는, 특히 B. propionicifaciens가 높은 수율과 적은 부산물 생산으로 산업적 가치가 높음을 보여주었습니다. CO2 의존도, 대사 경로의 차이, 발효 조건에 따른 산물 변화 등을 고려할 때, 해당 균주들의 바이오 기반 프로피온산 생산 플랫폼으로의 응용 가능성이 충분히 제시되었습니다. 향후 생물공학적 접근과 공정 최적화 연구를 통해 더욱 경쟁력 있는 생산 시스템으로 발전할 수 있을 것입니다.

개인적인 생각

이 논문은 바이오 기반 화학물질 생산 분야에서 미개척 영역이라 할 수 있는 Bacteroidia의 프로피온산 생산성을 깊이 탐구했다는 점에서 매우 인상적입니다. 기존의 propionibacteria와는 다른 관점에서 접근한 점, 특히 장내 박테리아라는 자연 환경에서 진화한 효율적인 기질 분해능을 바탕으로 새로운 생산 균주를 제시한 것은 큰 의미가 있습니다. B. propionicifaciens의 낮은 성장률에도 불구하고 높은 수율을 보인 점은 특히 흥미롭고, 향후 대사 흐름 조절과 유전자 편집 기술을 결합한다면 생산성과 경제성 두 마리 토끼를 잡을 수 있을 것으로 기대됩니다. 무엇보다 논문 전반에 걸친 정량적 분석과 다양한 조건에서의 반복 실험은 연구의 신뢰도를 높이는 요소로 작용합니다. 연구팀의 후속 연구도 매우 기대됩니다.

자주 묻는 질문 (QnA)

• Q1. 왜 프로피온산이 중요한가요?
  A. 식품 및 사료 보존제, 화장품, 의약품, 플라스틱 전구체 등 다양한 산업에서 활용되는 고부가가치 화학물질이기 때문입니다.
• Q2. Bacteroidia는 기존의 propionibacteria보다 우수한가요?
  A. 아직은 yield나 productivity 면에서 낮지만, 기질 범위가 넓고 유전자 조작 가능성이 높아 향후 발전 가능성이 큽니다.
• Q3. CO2 조건이 왜 중요한가요?
  A. 프로피온산 생성 경로에서 PEP의 카복실화 반응이 필요하기 때문에 CO2가 핵심 대사 조절 요소로 작용합니다.
• Q4. 부산물은 어떤 문제가 되나요?
  A. 정제 비용 증가 및 생산성 저하 요인이 됩니다. 특히 젖산, 숙신산, 포름산 등이 많이 생성되면 경제성이 떨어집니다.
• Q5. Fed-batch 발효는 왜 사용되었나요?
  A. 고농도 기질에서의 부산물 증가를 방지하고, 점진적 공급을 통해 최대 성장 및 생산성을 유도하기 위함입니다.
• Q6. 산업적 응용은 언제 가능할까요?
  A. 유전자 조작과 공정 최적화가 병행된다면 중단기적으로 가능할 것으로 예상됩니다.

용어 설명

• 프로피온산 (Propionate): 짧은 사슬의 지방산으로, 항균성 물질로 식품 보존에 활용되며, 다양한 산업 원료로도 사용됨.
• Fed-batch 발효: 기질을 일정 시간 간격으로 점진적으로 공급하며 고농도 배양을 유도하는 발효 방식.
• GAP (Glyceraldehyde-3-phosphate): 해당과정 중간 산물로, 에너지 및 환원력 생성의 출발점.
• OxPPP (산화적 펜토스 인산 경로): NADPH를 생성하며, 탄소 대사 및 생합성에 관여하는 보조 대사 경로.
• PFOR (Pyruvate:ferredoxin oxidoreductase): 피루브산을 아세틸-CoA로 전환하며 CO2와 전자를 생성하는 효소.
• LDH (Lactate dehydrogenase): 젖산 생성에 관여하는 효소로, 산화환원균형 유지에 기여.
• CO2 의존성: 대사 반응에서 CO2가 보조물질 또는 기질로 필수적이라는 의미.
• 휴면세포 (Resting cells): 성장은 멈췄지만 대사 활동은 유지되는 상태의 세포로, 순수 대사 분석에 활용.
• 환원등가물 ([H]): NADH, NADPH, Fdred 등 전자를 전달하는 물질의 통칭.
• 비율 (Molar ratio): 특정 산물 간의 생성된 몰 수 비율로 대사 경로 효율성을 평가하는 지표.