제주대학교는 일반대학원 생물학과 석·박사통합과정생인 김민지(지도교수 박수제) 씨가 주저자로 발표한 논문이 ELSEVIER에서 발생하는 환경 과학 분야의 국제저명학술지 Chemosphere (IF 8.1, Environmental Science 분야 JCI rank 8.22%) 8월호에 게재된다고 밝혔다.
목재의 20~30%가량을 차지하는 목질부를, 구성하는 리그닌(lignin)은 복잡한 구조의 천연화합물이나, 분해 시간이 오래 걸리고 물리적·공간적 문제로 연간 5,000만 톤가량 생성되는 리그닌의 97%를 소각·폐기 하고 있다. 다만, 일부의 경우 그 순도를 높여 다른 산업 등에 활용되고 있다.
기존의 리그닌 분해에 관한 연구는 목재부후균 등의 곰팡이 위주로 수행되고 있었으며, 리그닌을 기질로 한 미생물 기반 친환경-바이오에너지(green-biofuel) 생산 가능성에 관한 연구는 전무하다.
이번 연구를 위하여 제주도 수산저수지 퇴적물 시료를, 산소가 없는 혐기조건에서 리그닌 분해 세균과 메탄 생성 고균 사이의 자연적인 공대사가 이루어질 수 있는 환경을 조성했다. 이 연구에서는 미생물간 공대사 능력을 통하여 친환경 연료로서 메탄 생성이 가능성을 보여주었으며, 이들 간의 상호의존성 및 주요 대사 관련 유전자에 관한 결과를 포함하고 있다.
복합 배양 및 유전체 분석을 통해, Alkalibaculum 및 Propionispora 속과 같은 리그닌 분해 세균이 리그닌 분해 산물을 아세테이트와 같은 화합물로 변환하여 메탄생성고균 (Methanosarcina 속 또는 Methanomassiliicoccaceae 과의 UBA6)에게 공급하는 대사적 연관성을 확인하였다. 특히, 발효미생물이 부후균을 대신해 리그닌을 분해해 발생시킨 이산화탄소와 수소를 먹이로 삼는 고균이 메탄을 생산한다는 결론에 도달했으며, 리그닌을 단량체로 분해하여 발효 및 메탄 생성 대사를 촉진하는 핵심 효소의 존재를 구명하였다.
이러한 복합 배양과 유전체 분석은 복잡한 미생물 간의 연관 및 공대사 등에 대한 더욱 상세한 정보를 확인할 수 있다. 또한, 주요 생물자원으로서 미생물의 잠재된 대사적 특성을 이해하고, 이를 활용한 바이오에너지 생산에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
지도교수인 박수제 생물학과 교수는 본 연구는 기본개념부터 시작하여 배양과 분석까지 5년이 넘는 시간이 필요했던 매우 도전적인 연구였으며, 국내외적으로도 도전 및 희귀성이 매우 높은 연구로써 앞으로도 유행성이 아닌 긴 호흡의 기초·기반 연구를 지속할 것이라고 하였다.
또한 김민지 씨는 한국연구재단의 2024년 이공분야 학문후속세대지원사업의 ‘박사과정생 연구장려금 지원사업’ 신규 과제에 선정됐다. 이번 과제를 포함해 지구 물질 순환에 있어 미생물의 대사 능력을 활용한 연구를 수행하고 있다. 김민지 씨는 “그동안 폐기되던 리그닌에서 재생에너지인 메탄을 생산할 수 있는 원핵생물의 발굴은 큰 의미가 있으며 향후 미생물 활용을 위한 연구에 박차를 가하겠다”라고 말했다.
‘박사과정생 연구장려금 지원사업’은 국내 대학원 박사과정의 학위 논문 연구와 관련된 창의적·도전적인 아이디어를 지원하는 한국연구재단의 연구지원사업이다.
