새로운 생물학에서

모든 살아있는 유기체의 세포는 동일한 화학 연료인 아데노신 삼인산(ATP)에 의해 구동됩니다. 이제 연구자들은 전기에서 직접 ATP를 생성하는 방법을 발견했습니다. 이를 통해 식품에서 연료, 의약품에 이르기까지 모든 것을 재배하는 생명공학 공정을 가속화할 수 있습니다.

현대 전자 기반 기술을 생물학과 접목시키는 것은 매우 어렵습니다. 한 가지 주요 걸림돌은 전원 공급 방식이 매우 다르다는 것입니다. 대부분의 장치는 전자로 작동하지만 자연은 ATP의 화학 결합이 깨질 때 방출되는 에너지에 의존합니다. 매우 다른 두 가지 에너지 통화를 전환하는 방법을 찾는 것은 다양한 생명공학에 유용할 수 있습니다.

유전자 조작 미생물은 이미 다양한 고부가가치 화학 물질과 치료에 유용한 단백질을 생산하는 데 사용되고 있으며 머지않아 친환경 제트 연료를 생성하고, 플라스틱 폐기물을 분해하고, 심지어 거대한 생물 반응기에서 새로운 식품을 재배하는 데 도움이 될 수 있다는 희망이 있습니다. 그러나 현재 이러한 프로세스는 바이오매스를 성장시켜 설탕으로 전환하고 미생물에게 먹이는 비효율적인 프로세스를 통해 구동됩니다.

이제 독일 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소의 연구원들은 생물학적 과정을 강화하는 훨씬 더 직접적인 방법을 고안했습니다. 그들은 효소 칵테일을 사용하여 전기를 ATP로 직접 변환할 수 있는 인공 대사 경로를 만들었습니다. 그리고 결정적으로, 이 과정은 시험관 내에서 작동하며 세포의 기본 기계에 의존하지 않습니다.

연구를 주도한 토비아스 에르브(Tobias Erb)는 보도 자료에서 “화학 및 생화학 반응에 직접 전기를 공급하는 것은 진정한 혁신입니다.”라고 말했습니다. “이를 통해 단순한 세포 구성 요소에서 전분, 바이오 연료 또는 단백질과 같은 에너지가 풍부한 귀중한 자원을 합성할 수 있으며, 미래에는 이산화탄소에서도 합성이 가능해집니다. 생물학적 분자를 사용하여 전기 에너지를 저장하는 것도 가능할 수도 있습니다.”

본질적으로 ATP와 그 자매 분자인 아데노신 이인산염(ADP)은 거의 배터리와 같다고 생각할 수 있습니다. ATP는 충전된 배터리와 같으며 화학 결합에 에너지를 저장합니다. 세포가 그 에너지를 소비해야 하는 경우, 분자의 세 가지 인산염 그룹 중 하나가 끊어지고 해당 화학 결합에 결합된 에너지가 일부 세포 과정에 전력을 공급할 수 있습니다.

이 과정은 ATP 분자를 빈 배터리로 생각할 수 있는 ADP로 변환합니다. 이를 재충전하려면 세포는 음식이나 광합성의 에너지를 사용하여 ADP 분자에 인산기를 다시 추가하여 다시 ATP로 전환해야 합니다.

그러나 이러한 재충전 과정은 세포막에 내장된 다양한 단백질 복합체를 포함하는 복잡한 일련의 반응에 의존합니다. 이 시스템을 세포 외부에서 작동하도록 재설계하는 것은 어려운 일입니다. 왜냐하면 다양한 단백질이 인공 막에서 조심스럽게 방향을 잡아야 하기 때문에 까다롭고 취약하기 때문입니다.

Joule의 논문에 설명된 새로운 접근 방식은 훨씬 간단합니다. "AAA 사이클"이라고 불리는 이 사이클에는 용액에서 상호 작용하는 4개의 효소만 포함됩니다. 이 모든 것을 가능하게 한 핵심 성분은 최근 발견된 Aromaticum Aromatoleum이라는 박테리아에서 알데히드 페레독신 산화환원효소(AOR)라는 효소를 발견한 것입니다. 이 박테리아는 석유를 분해할 수 있습니다.

이 효소는 전극에서 전자를 가져와 프로피오네이트라는 전구체 화학물질에 첨가된 알데히드 결합에 전자의 에너지를 묶을 수 있습니다. 그런 다음 이것은 화학 물질에 작용하고 궁극적으로 ADP를 ATP로 변환하기 위해 저장된 에너지를 사용하는 세 가지 추가 효소를 통해 계단식으로 연결됩니다. 마지막에는 프로피오네이트 분자가 튀어나와 사이클에 다시 공급될 수 있습니다.

스탠포드 대학의 합성 생물학자인 드류 엔디(Drew Endy)는 사이언스(Science)에 "간단한 AAA 주기는 영리하고 우아한 접근 방식입니다. 생물학이 자연적으로 ATP를 만드는 방법보다 훨씬 간단합니다."라고 말했습니다. 그는 이것이 "전기생합성"을 가능하게 하는 핵심 원동력이 될 수 있다고 덧붙였습니다. 즉, 전기를 사용하여 세포에서 유용한 화학물질의 합성에 직접적으로 힘을 실어주는 아이디어입니다.