독특한 당 분해 경로로 에탄올을 빠르게 만드는 세균

 

효모는 포도당을 에탄올로 바꾸는 대표적인 미생물이지만 세균 가운데에도 당을 매우 빠르게 발효하는 종이 있다. Zymomonas mobilis는 포도당을 일반적인 해당과정이 아니라 엔트너 두도로프 경로로 분해한다. 이 경로는 세포가 얻는 ATP가 적은 대신 많은 탄소가 세포 증식보다 에탄올과 이산화탄소 생산으로 흘러가는 특징을 보인다.

이 종은 아가베 수액으로 만드는 풀케와 야자주 같은 자연 발효음료에서 발견돼 왔다. 현재 LPSN은 Zymomonas mobilis를 유효한 정명으로 수록하며 표준 균주는 ATCC 10988, DSM 424, NCIB 8938이다. 유전체와 산업 연구에 널리 사용되는 ZM4는 ATCC 31821로 기탁된 별도 균주다. ZM4의 유전체 수치와 발효 성능을 표준 균주의 고정된 특징으로 섞지 않아야 한다.

세 가지 당만 자연적으로 이용하지만 흡수 속도는 빠르다

Z. mobilis는 짧고 통통한 막대 형태의 그람음성 세균이며 포자를 만들지 않는다. 산소가 거의 없는 조건에서 에탄올 발효가 활발하지만 산소에 노출돼도 어느 정도 생존할 수 있는 내기성 혐기성 생활을 한다. ZM4는 약 30도와 약산성에서 흔히 배양되며 포도당과 과당, 설탕을 자연적으로 이용한다.

이용할 수 있는 당의 범위는 효모나 일부 산업 세균보다 좁다. 식물성 바이오매스에 많은 자일로스와 아라비노스는 야생형 ZM4가 효율적으로 발효하지 못한다. 셀룰로스도 직접 분해하지 못하므로 전처리와 당화효소를 이용해 작은 당으로 바꿔야 한다. 유전자 조작으로 오탄당 이용 경로를 넣은 균주의 결과를 야생형의 능력으로 설명해서는 안 된다.

좁은 기질 범위와 달리 포도당 흡수와 대사 흐름은 빠르다. 세포막 수송체를 통해 들어온 포도당이 세포 안에 오래 머물지 않고 중심대사로 전달된다. 이 특성은 높은 에탄올 생산성에 도움이 되지만 당 농도가 지나치게 높으면 삼투 스트레스가 생기고, 발효가 진행될수록 에탄올 자체가 세포막을 손상한다.

엔트너 두도로프 경로는 포도당 한 분자에서 ATP 하나를 얻는다

많은 미생물이 사용하는 엠덴 마이어호프 파르나스 경로는 포도당 한 분자를 피루브산 두 분자로 바꾸며 순수하게 ATP 두 분자를 얻는다. 엔트너 두도로프 경로에서는 포도당이 6-포스포글루콘산과 KDPG라는 중간체를 거쳐 피루브산과 글리세르알데하이드 3-인산으로 갈라진다. 최종적으로 피루브산 두 분자가 만들어지지만 순 ATP는 한 분자다.

ATP 수율이 낮다는 사실은 세균에 무조건 불리한 결함이 아니다. 세포는 같은 양의 생물량을 만들기 위해 더 많은 포도당을 처리해야 하고, 탄소 상당량이 에탄올로 배출된다. 경로를 이루는 효소의 수와 단백질 투자량이 비교적 적어 높은 대사 유속을 유지하는 데 유리하다는 해석도 있다. 적은 ATP와 빠른 흐름이 결합해 낮은 생물량 수율과 높은 에탄올 생산성이 함께 나타난다.

피루브산 탈탄산효소는 피루브산에서 이산화탄소를 떼어 아세트알데하이드를 만들고, 알코올 탈수소효소는 이를 에탄올로 환원한다. 이때 당 분해에서 생긴 NADH가 다시 NAD 양이온으로 산화돼 중심대사가 계속된다. 산소가 있으면 전자 일부가 호흡계로 흐를 수 있지만 호흡에서 얻는 에너지가 효율적으로 성장과 연결되지 않아 부산물 조성과 생산 수율이 달라질 수 있다.

작은 유전체는 에탄올 생산과 스트레스 대응에 집중돼 있다

2005년 공개된 ZM4의 원형 염색체는 2,056,416염기쌍이며 약 2천 개의 단백질 암호화 유전자가 예측됐다. 일부 플라스미드도 균주에서 확인된다. 비교적 작은 유전체에는 엔트너 두도로프 경로와 에탄올 발효 효소가 높은 수준으로 발현되도록 구성돼 있다. 반면 다양한 당을 분해하고 복잡한 호흡을 수행하는 대사 선택지는 제한적이다.

에탄올은 목표 생산물이면서 세포에 독성을 주는 용매다. 농도가 높아지면 막의 지질 배열과 단백질 기능이 흐트러지고 양성자와 이온이 새기 쉬워진다. ZM4는 막 지방산 조성과 홉아노이드 계열 지질, 열충격 단백질과 산화 스트레스 방어 체계를 이용해 손상을 줄인다. 내성이 있다는 말은 에탄올 농도와 관계없이 같은 속도로 성장한다는 뜻은 아니다.

설탕을 이용할 때에는 세포 밖에서 레반이라는 과당 중합체가 만들어지거나 소르비톨 같은 부산물이 생길 수 있다. 배지 조성과 산소, 당 농도에 따라 원하는 에탄올로 가지 않는 탄소가 늘어난다. 산업 공정에서는 최대 이론수율뿐 아니라 부산물과 잔당, 세포 생존율을 함께 확인해야 한다.

빠른 발효를 목질계 바이오매스에 적용하려면 당의 범위를 넓혀야 한다

ZM4는 빠른 포도당 소비, 높은 에탄올 수율과 비교적 낮은 생물량 생성 때문에 연료용 에탄올 생산균으로 연구된다. 세균이 많이 증식하지 않으면 원료 탄소를 생산물로 보낼 수 있고 발효 뒤 제거해야 할 세포량도 줄어든다. 그러나 사탕수수나 전분처럼 포도당이 풍부한 원료와 목질계 가수분해물은 조건이 다르다.

목질계 원료에는 자일로스와 아라비노스가 섞여 있고 전처리 과정에서 푸르푸랄과 유기산, 페놀계 억제물질이 생긴다. 연구자들은 오탄당 대사 유전자와 내성 유전자를 도입하고 적응진화를 통해 균주를 개선해 왔다. 여러 당이 있어도 포도당을 먼저 소비하거나 대사 경로끼리 보조인자를 두고 경쟁하면 전체 발효시간이 길어질 수 있다.

효모보다 빠르다는 일반적인 표현도 배양 조건을 빼면 정확하지 않다. 초기 당 농도와 온도, 접종량, 산소 유입, 발효조 크기에 따라 생산성과 최종 농도가 달라진다. 박테리오파지 오염과 균주의 유전적 안정성, 산물 증류에 드는 에너지까지 포함해 공정 전체를 비교해야 한다.

Z. mobilis를 정리하며 눈에 들어온 부분은 ATP를 적게 만드는 경로가 산업에서는 장점으로 바뀔 수 있다는 사실이었다. 세포 입장에서는 포도당을 많이 써야 적은 성장 에너지를 얻지만, 생산자 입장에서는 탄소가 세포 덩어리보다 에탄올로 더 많이 흐른다. 다만 빠른 경로의 대가로 이용 가능한 당이 좁고 환경 변화에 대응할 선택지도 제한된다. 내게는 이 세균의 효율이 모든 기능을 잘하는 데서가 아니라 한 가지 흐름에 과감하게 집중한 데서 나온 것으로 보인다.

참고자료

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• Lee, K. Y. 외, The genome-scale metabolic network analysis of Zymomonas mobilis ZM4 explains physiological features and suggests ethanol and succinic acid production strategies, Microbial Cell Factories, 2010, 9권, 94. 원문 보기
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• List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature, Zymomonas mobilis, 2026년 9월 확인. 분류 정보 보기