전기 먹고 이산화탄소 없애는 ‘미생물’ VIDEO: How electricity-eating microbes use electrons to fix carbon dioxide
How electricity-eating microbes use electrons to fix carbon dioxide
Date: March 23, 2019
Source: Washington University in St. Louis
Summary: A phototrophic microbe called Rhodopseudomonas palustris takes up electrons from conductive substances like metal oxides or rust to reduce carbon dioxide.
A Washington University team showed how a phototrophic microbe called Rhodopseudomonas palustris takes up electrons from conductive substances like metal oxides or rust to reduce carbon dioxide.
Credit: Image courtesy Bose laboratory, Washington University
전기 먹고 이산화탄소 없애는 ‘미생물’ 전도성 물질서 전자 흡수…천연배터리로 주목 상단 사진 설명: 전기를 먹는 것으로 알려진 R.palustris의 현미경 사진 과학기술 전문 매체인 사이언스데일리(Science Daily)는 미 세인트루이스시에 위치한 워싱턴대의 연구진이 금속 산화물 같은 전도성 물질로부터 전자를 받아서 이산화탄소를 줄일 수 있는 미생물을 연구하고 있다고 보도했다. 전도성 물질로부터 전자 흡수하는 박테리아 미생물은 수십억년이라는 시간 동안 일어난 진화를 통해서 다양한 대사과정을 만들어 왔다. 분해가 불가능하다고 여겨졌던 스티로폼부터 시작하여 독극물로 유명한 비소까지 미생물의 대사 능력은 상상을 초월하는 경우가 많다. 그런데 최근 워싱턴대가 발표한 새로운 대사 과정은 이전 사례들과는 또 다른 놀라움을 주기에 충분하다. 왜냐하면 물질을 구성하는 원자 속 전자를 끌어다 사용하는 미생물이 발견됐기 때문이다. 이른바 전기를 먹이로 하는 미생물이 발견된 셈이다. 워싱턴대의 생물학 조교수인 ‘아피타 보스(Arpita Bose)’가 이끄는 연구진은 오래 전부터 독특한 대사 과정을 지닌 박테리아 ‘로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris, R.palustris)’를 연구해 왔다. 약자로 R.palustris이라 불리는 이 박테리아는 광합성 세균 종류에 포함되는 ‘자색세균(purple bacteria)’ 중 하나다. 이 박테리아는 영양분을 흡수하면서 주위 환경에서 전자를 끌어오는 성질을 가졌다. 특히 철의 산화를 촉진시키며, 이 과정에서 필요한 전자를 끌어오는 것으로 알려져 있다. 워싱턴대 연구진은 R.palustris 같은 유전자 조작처럼 인위적으로 변이를 일으킨 것이 아니라 자연발생적으로 진화한 균주가 어떻게 금속 산화물이나 녹 같은 전도성 물질로부터 전자를 끌어오는지를 규명하는 실험에 착수했다. 전기먹는 미생물을 연구하고 있는 아피타 보스(우) 교수와 연구진 ⓒ wustl.edu 우선 연구진은 R.palustris를 자철석과 함께 배양했는데, 빛의 세기에 따라 전자를 흡수하는 특성이 달라지는 것을 발견했다. 밝은 빛에서는 R.palustris가 철로부터 전자를 뺏지만, 어두운 빛에서는 철에게 다시 전자를 돌려준다는 것을 발견한 것이다. 연구진은 R.palustris의 이런 특성을 이용하면 낮에는 방전을 하고, 밤에는 충전을 하는 천연배터리를 제작할 수도 있을 것으로 판단했다. 보스 교수는 “전자를 흡수하고 방출할 수 있다는 말은 결국 전기를 보관할 수 있다는 것을 의미한다”라고 밝히며 “R.palustris를 차세대 바이오 에너지원으로 연구하는 경우도 생각할 수 있다”라고 강조했다. 이에 대해 보스 교수는 “R.palustris의 경우 ‘세포외 전자전달(EET, extracellular electron transfer)’이라는 과정을 통해서 세포 밖에 있는 전자를 끌고 들어와서 그들의 에너지 대사에 사용한다는 사실을 발견했다”라고 공개하며 “넓은 범위에서 말하면 아예 전자 자체를 미생물이 포식한다고 할 수 있다”라고 비유했다. 그러면서 “당시 연구가 특별했던 이유는 R.palustris에서 EET 과정을 일으켜 전자를 포식하는데 관여하는 유전자도 발견했다는 점인데, 이 유전자의 작동을 인위적으로 멈추게 하자 전자 대사 과정의 효율이 1/3 수준으로 감소했다”라고 덧붙였다. 이산화탄소 제거 및 독성물질 완화에도 관여 연구진은 R.palustris이 전자를 끌어오는 과정을 규명하는 연구를 하다가 새로운 사실 2가지도 발견했다. 이 박테리아가 탄소고정 과정을 통해 이산화탄소를 제거할 수 있고, 금속 내의 독성도 현저하게 줄일 수 있다는 점이었다. 탄소고정(Carbon Fixation)이란 기체로 존재하는 무기물인 탄소를 탄소 중합체로 바꿔주는 과정을 말한다. 지구상에서 발생하는 탄소고정 과정은 대부분 식물과 미생물의 광합성을 통해 이루어진다. R.palustris도 광합성 세균의 한 종류인 만큼, 빛으로부터 얻은 에너지를 활용하여 세포밖으로부터 얻은 전자를 이산화탄소 고정에 활용하는 것이다. 이 같은 결과에 대해 보스 박사는 “박테리아의 전자 도입 능력을 인위적으로 제어하자 이산화탄소의 고정량도 함께 줄어드는 현상을 파악했다”라고 언급하며 “이런 현상을 제대로 활용하면 대기 중의 이산화탄소 포집도 가능할 것으로 보인다”고 말했다.
박테리아가 전자를 흡수하여 이산화탄소를 제거하는 기전 ⓒ Nature 하지만 문제가 있다. R.palustris이 혐기성 세균이라는 점이다. 즉 태양으로부터 에너지를 얻기 위해서는 산소가 없는 환경에서 자라도록 해야 한다는 것인데, 그런 조건을 충족시켜 상용화까지 하려면 지금까지와는 다른 접근 방법이 필요한 상황이다. 또한 연구진은 금속 내의 독성 관련 실험에서도 환경독성이 강한 6가 크롬을 R.palustris와 반응시킨 결과 안정적인 3가 크롬으로 바뀐다는 사실도 확인했다. 보스 교수는 “6가 크롬은 인체에 흡수될 경우 암을 일으키는 것으로 알려져 있다”라고 밝히며 “광합성 세균의 일종인 R.palustris을 잘만 활용하면 새로운 미래 에너지원도 얻을 수 있고, 기후변화 및 환경오염까지 막을 수 있을 것으로 보인다”라고 전망했다. 번 교수는 “이번 연구는 세균이 미래 에너지원으로 사용될 수 있다는 점을 보여준 것”이라며 “철을 비롯해 전자가 풍부한 다양한 금속에서 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 김준래 객원기자 stimes@naver.com 사이언스타임스 |
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New research from Washington University in St. Louis explains the cellular processes that allow a sun-loving microbe to "eat" electricity -- transferring electrons to fix carbon dioxide to fuel its growth.
Led by Arpita Bose, assistant professor of biology in Arts & Sciences, and Michael Guzman, a PhD candidate in her laboratory, a Washington University team showed how a naturally occurring strain of Rhodopseudomonas palustris takes up electrons from conductive substances like metal oxides or rust. The work is described in a March 22 paper in the journal Nature Communications.
The study builds on Bose's previous discovery that R. palustris TIE-1 can consume electrons from rust proxies like poised electrodes, a process called extracellular electron uptake. R. palustris is phototrophic, which means that it uses energy from light to carry out certain metabolic processes. The new research explains the cellular sinks where this microbe dumps the electrons it eats from electricity.
"It clearly shows for the first time how this activity -- the ability for the organism to eat electricity -- is connected to carbon dioxide fixation," said Bose, a Packard Fellow who studies microbial metabolisms and their influence on biogeochemical cycling.
This mechanistic knowledge can help inform efforts to harness the microbe's natural ability for sustainable energy storage or other bioenergy applications -- a potential that has caught the attention of the Department of Energy and Department of Defense.
"R. palustris strains can be found in wild and exotic places like a rusty bridge in Woods Hole, Massachusetts where TIE-1 was isolated from," Bose said. "Really, you can find these organisms everywhere. This suggests that extracellular electron uptake might be very common."
Guzman added: "The main challenge is that it's an anaerobe, so you need to grow it in an environment that doesn't have oxygen in order for it to harvest light energy. But the flip side to that is that those challenges are met with a lot of versatility in this organism that a lot of other organisms don't have."
In their new paper, the researchers showed that the electrons from electricity enter into proteins in the membrane that are important for photosynthesis. Surprisingly, when they deleted the microbe's ability to fix carbon dioxide, they observed a 90 percent reduction in its ability to consume electricity.
"It really wants to fix carbon dioxide using this system," Bose said. "If you take it away -- this innate ability -- it just doesn't want to take up electrons at all."
She said that the reaction is similar in some ways to a rechargeable battery.
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"The microbe uses electricity to charge its redox pool, storing up the electrons and making it highly reduced," Bose said. "To discharge it, the cell reduces carbon dioxide. The energy for all this comes from sunlight. The whole process keeps repeating itself, allowing the cell to make biomolecules with nothing more than electricity, carbon dioxide and sunlight."
The new research answers basic science questions and provides plenty of opportunity for future bioenergy applications.
"For a long time, people have known that microbes can interact with analogues of electrodes in the environment -- that is, minerals that are also charged," Guzman said. "But no one really appreciated how this process could also be done by photoautotrophs, such as these types of organisms that fix their own carbon and use light to make energy. This research fills a poorly understood gap in the field."
Bose's lab is working on using these microbes to make bioplastics and biofuels.
"We hope that this ability to combine electricity and light to reduce carbon dioxide might be used to help find sustainable solutions to the energy crisis," Bose said.
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190323113748.htm
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