새롭게 발견된 남조류, 바다와 공장에서 탄소를 격리하는 데 도움이 될 수 있다

미국과 이탈리아의 연구자들로 구성된 국제 연합은 화산 해저 분출구에서 분리된 새로운 남조류 또는 조류 균주를 발견했습니다. 이 균주는 CO2가 있는 곳에서 특히 빠르게 자라는 데 능숙하며, 물에 쉽게 가라앉아 생물학적 기반 탄소 격리 프로젝트와 귀중한 상품의 생물 생산에 적합한 후보입니다. "Chonkus"라는 별명이 붙은 이 균주는 이탈리아 시칠리아의 불카노 섬 해안에서 발견되었습니다. 이곳은 얕은 화산 분출구로 인해 해양 CO2가 풍부한 환경입니다. 이 발견은 오늘 Applied Environmental Microbiology 에 게재된 논문에 설명되어 있습니다.

"용존 탄소는 바다의 다른 모든 분자에 비해 상대적으로 희석되어, 그곳에 사는 광합성 유기체의 성장을 제한합니다. 우리는 탄소가 풍부한 곳으로 가서 그 제한 요소를 완화하면 어떤 일이 일어나는지 조사하기로 했습니다. 그곳에서 일부 유기체는 탄소를 사용하여 성장을 촉진할 수 있는 능력을 진화시켰을 것입니다." 공동 책임 저자인 맥스 슈버트 박사가 말했습니다. 그는 이 연구가 수행되었을 당시 하버드 대학교의 와이스 연구소에서 직원 과학자였고, 현재 Align to Innovate의 수석 프로젝트 과학자입니다. "자연적으로 발생하는 이 남조류 균주는 인간에게 유용할 수 있는 여러 가지 특성을 가지고 있습니다. 여기에는 매우 조밀하게 성장하고 물에 가라앉는 자연스러운 경향이 있으며, Chonkus는 탈탄소화 및 생물 제조에 대한 미래 연구에 특히 흥미로운 유기체입니다."

얕은 바다에서 실험실 벤치까지

슈버트와 공동 저자인 브레이든 티어니 박사는 9년 전 Wyss Core 교수진인 조지 처치 박사의 연구실에서 벤치 이웃으로 처음 만났지만, 둘 다 2016년 하버드 의대(HMS)에서 일하기 전까지는 협력을 시작하지 않았습니다. 박테리아와 그 유전체의 지시 진화를 위한 도구를 만드는 데 관심이 있던 미생물학자인 슈버트는 HMS 우주 유전학 컨소시엄의 2019년 기후 변화 심포지엄에 이 연구를 남조류에 적용하기 위한 제안서를 제출했습니다. 그는 최고상을 수상했고, 이 상은 남조류에 도구를 적용하여 탄소를 고정하고 격리하는 데 도움이 될 수 있는 잠재력을 조사하기 위한 그의 초기 시도에 자금을 지원했습니다.

한편, 티어니는 슈버트의 지도 교수인 처치의 공동 자문을 받는 포스트닥터로, 친구로부터 얕은 침투지(해저에서 가스가 물 속으로 스며들지만 햇빛을 받을 만큼 얕은 지역)에 대한 논문을 받았고, 그러한 환경에 물에서 용해된 CO2를 포집하는 데 능숙하도록 진화한 광합성 미생물이 살고 있을 수도 있다는 것을 깨달았습니다. 그는 시칠리아 팔레르모 대학교의 두 교수인 마르코 밀라초 박사와 파올라 콰트리니 박사와 접촉했는데, 그들은 근처에서 접근 가능한 얕은 침투지를 활발히 연구하고 있었습니다. 티어니는 SeedLabs로부터 수집 탐험을 위한 자금을 확보했고, 그 환경에 존재할 수 있는 남조류를 이해하고 연구하는 데 도움을 요청하기 위해 슈버트에게 연락했습니다.

Tierney와 Schubert는 Wyss Institute, HMS, Weill Cornell Medical College, Colorado State University, University of Wisconsin-Madison, MIT, Colorado의 National Renewable Energy Laboratory, 이탈리아 Palermo의 여러 기관의 과학자를 최종적으로 포함하는 연합을 구성했습니다. 이 그룹은 Vulcano 해안에서 바다로 현장 탐험을 시작하여 스쿠버 슈트를 입고 CO 2 가 풍부한 얕은 침출수에서 물 샘플을 수집했습니다. 그런 다음 그들은 해수 튜브를 대서양을 건너 보스턴으로 운송했고, Schubert가 이끄는 과학자들은 샘플에 사는 미생물을 분리하고 특성화했습니다.

한 미생물의 벌레는 인류의 특징입니다

연구자들은 표적 남조류의 성장을 유도하기 위해 빠르게 성장하는 남조류가 번성할 수 있는 조건, 즉 따뜻한 기온, 많은 빛, 그리고 충분한 CO 2 를 재현했습니다. 농축 배양에서 분리한 후 빠르게 성장하는 남조류의 두 균주가 발견되었습니다. UTEX 3221과 UTEX 3222입니다. 연구팀은 단세포 성장으로 기존 남조류 균주와 비교하기 쉬운 UTEX 3222에 초점을 맞추기로 했습니다.

UTEX 3222는 다른 알려진 빠르게 성장하는 남조류 균주보다 더 큰 군체를 형성했으며, 개별 세포도 더 컸습니다. 그래서 Chonkus라는 별명이 붙었습니다. 또한 기존 균주보다 더 높은 밀도로 성장했고, 세포에 탄소를 함유한 저장 과립을 품고 있는 것으로 보였으며, 다른 균주보다 전반적인 탄소 함량이 더 높았습니다. 이는 모두 탄소 격리 및 생물 생산과 같은 응용 분야에 잠재적으로 가치 있는 특성입니다. 가장 흥미로운 점은 Chonkus가 샘플 튜브 바닥에 "녹색 땅콩 버터"와 비슷한 농후한 펠릿으로 빠르게 침전된 반면, 다른 균주는 부유 상태로 유지되었다는 것입니다. 이러한 거동은 산업적 처리에 특히 가치가 있는데, 바이오매스를 농축하고 건조하는 것이 현재 생산 비용의 15-30%를 차지하기 때문입니다.

"Chonkus에서 관찰한 많은 특성은 자연 환경에서는 본래 유용하지 않지만 인간에게는 매우 유용합니다. 수생 생물은 자연적으로 매우 낮은 밀도에서 자라지만, 더 높은 온도에서 높은 밀도로 자랄 수 있는 능력은 우리가 많은 상품과 제품을 제조하는 데 사용하는 산업 환경에서 매우 유용하며, 더 많은 탄소를 격리하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 Tierney는 말했습니다. "세상에는 엄청난 양의 미생물 다양성이 존재하며, 실험실에서 배양한 E. coli 박테리아에 원하는 모든 특성을 공학적으로 도입하는 것보다 인간과 관련된 환경에서 성공하도록 이미 진화한 미생물을 찾는 것이 더 효율적이라고 생각합니다."

팀은 Chonkus 또는 미생물의 변형된 버전으로 해결할 수 있는 많은 응용 분야에 대해 흥분하고 있습니다. 많은 조직이 탄소 격리를 위해 빠르게 성장하는 유기체의 사용을 조사하고 있으며, Chonkus는 언젠가 그들의 대열에 합류할 수 있습니다. 현재 오메가-3 지방산, 항산화제 아스타잔틴, 스피룰리나와 같은 여러 제품이 조류에서 제조되고 있으며, 빠르고 밀도 있게 성장하는 균주에서 더 효율적으로 만들어질 수 있습니다. 그리고 남조류가 환경에서 직접 탄소를 수확하여 성장한다는 사실은 탄소 격리와 생물 제조 과정을 단일 유기체에서 함께 결합할 수 있음을 의미합니다. UTEX 3222 및 UTEX 3221 샘플은 냉동 보관되어 텍사스 대학교 오스틴의 조류 배양 컬렉션에서 다른 연구자들이 사용할 수 있도록 공개적으로 제공됩니다.

첫 번째 탐험의 성공에 영감을 받은 Tierney는 이후 논문 공동 저자인 Krista Ryon과 James Henriksen과 함께 비영리 기구인 The Two Frontiers Project를 공동 창립했습니다. 이 기구는 차세대 과학 탐험을 통해 극한 환경에서 생명이 어떻게 번성하는지 연구하는 것을 목표로 합니다. 이 그룹은 이미 콜로라도의 온천, 티레니아해의 Smoking Lands, 홍해의 산호초 등에 대한 후속 탐험을 완료했습니다. 이 기구는 탄소 포집, 지속 가능한 제품을 위한 CO 2 업사이클링, 산호 생태계 복원이라는 세 가지 주요 응용 분야에 사용할 수 있는 미생물에 중점을 두고 있습니다.

"이 연구에서 설명한 자연적으로 진화된 남조류 균주에 내재된 특성은 산업과 환경 모두에서 사용될 수 있는 잠재력이 있으며, 여기에는 유용한 탄소 기반 제품의 생물 제조나 대량의 탄소를 해저로 가라앉히는 것이 포함됩니다. 이러한 미생물의 능력을 향상시키기 위해 추가 수정을 할 수 있지만, 수십억 년의 진화를 활용하는 것은 인류가 기후 변화를 완화하고 역전시키려는 시급한 필요성에 큰 도움이 됩니다." HMS의 Robert Winthrop 유전학 교수이자 하버드와 MIT의 건강 과학 및 기술 교수이기도 한 Church의 말입니다. "하지만 '자동차를 만들기 전에 안전벨트를 만드는 것'이 매우 중요합니다. 저희 연구실은 이러한 종류의 실험을 격리하고 제어하는 ​​데 도움이 되는 생물학적 격리 접근 방식도 연구합니다."

"Wyss Institute는 자연이 지구상에서 가장 뛰어난 혁신의 원천이며, 자연 원리를 모방하는 것이 긍정적인 영향을 이끌어내는 열쇠라는 믿음에 따라 설립되었습니다. 저는 이 팀이 실험실을 벗어나 이미 개발된 자연의 가장 뛰어난 아이디어를 찾는 것을 자랑스럽게 생각합니다. 이것은 우리의 새로운 지속 가능한 미래 이니셔티브가 우리 세대의 가장 큰 과제인 기후 변화에 대처하기 위해 틀에 얽매이지 않은 접근 방식을 추구하는 훌륭한 사례입니다." HMS 및 보스턴 어린이 병원의 혈관 생물학 Judah Folkman 교수 이자 하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용 과학 대학의 생물학적 영감 공학 Hansjörg Wyss 교수이기도 한 Wyss 창립 이사 인 Don Ingber, MD, Ph.D.가 말했습니다.

논문의 추가 저자로는 Tzu-Chieh Tang, Isabella Goodchild-Michelman, Krista Ryon, James Henriksen, Theodore Chavkin, Yanqi Wu, Teemu Miettinen, Stefanie Van Wychen, Lukas Dahlin, Davide Spatafora, Gabriele Turco, Michael Guarnieri, Scott Manalis, 존 코비츠, 라자 디르, 파올라 콰트리니, 크리스토퍼 메이슨, 마르코 밀라조 등입니다.

이 연구는 미국 에너지부(DOE)의 보조금 번호 DE-FG02-02ER63445와 미국 국립과학재단(NSF) 보조금 번호 MCB-2037995, SEED Labs, WorldQuant Foundation, Weill Cornell Medical College의 Scientific Computing Unit(SCU), International CO 2 Natural Analogues(ICONA) Network의 지원을 받았습니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241029120800.htm

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