포르메이트를 형성하기 위한 일산화탄소(CO)의 생물학적 전환은 버블(기포) 합체로 인해 기-액 간 물질전달 한계가 발생함에 따라 저해된다. 이는 기체 교환을 위한 계면적을 감소시킨다. 본 연구에서는 공기리프트(bioreactor)에 천공(b) 배플(perforated baffle)을 적용하고, 그 위에 혐기성(air-ophobic) 코팅을 도입하는 새로운 접근을 제시한다. 혐기성 코팅은 버블 합체를 억제하여 물질전달 효율을 향상시키고 CO의 포르메이트 전환 속도를 증가시킨다. 먼저, 효소 반응에서 CO 기체의 물질전달 속도가 최적 조건에서 최대 생산성을 결정한다는 것을 확인하였다. 이어서 천공 배플에 대한 혐기성 코팅 조건을 최적화하여 효과적인 기포 파쇄를 달성하였다. 최적화된 코팅 조건의 혐기성 코팅 천공 배플을 반응기에 설치함으로써 효율적인 기포 파쇄를 유도하고, 기포 크기를 감소시키며, 기-액 물질전달 계수를 증가시켰다. 그 결과 CO-포르메이트 전환에서 최대 부피 생산성 60.4 mM/h를 달성하였으며, 이는 코팅 배플이 없는 바이오리액터 대비 72% 증가한 값이다. 이러한 유의미한 개선은 기-액 물질전달을 향상시키는 데서 혐기성 코팅의 효과를 보여주며, 생물학적 기체 전환 산업에서 효율과 확장성을 높이기 위한 새로운 전략을 제공한다.

산소가 없는 상태에서의 열분해(열적 분해)인 열분해(pyrolysis)는 목질계 바이오매스의 전체 분획으로부터 수송 가능한 액체를 생산할 수 있는 유망한 기술이다. 그러나 열분해의 친수성 생성물로 인해 액상 오일은 바람직하지 않은 물리화학적 특성을 가지므로, 추가적인 고도화(upgrading) 공정이 필요하다. 생물학적 고도화 방법은 다양한 친수성 화합물을 탄소원으로 활용하여, 낮은 탄소 발자국과 온화한 조건 하에서 열분해의 단점을 보완할 수 있다. 지질, 에탄올, 유기산과 같은 다양한 유용 화학물질은 친수성 분획에서 무수당(anhydrous sugars), 유기산, 알데하이드, 페놀릭스(phenolics) 등을 미생물이 동화(assimilate)함으로써 생산될 수 있다. 여러 독성 화합물의 존재와 수상(aqueous phase)의 복잡한 조성이 주요 과제이다. 본 총설에서는 열분해 오일의 수상을 고도화하기 위한 생물전환(bioconversion) 경로의 잠재력을, 핵심적인 도전 과제와 전망과 함께 조사한다.

OPG가 포함된 OB3b는 메탄 전환 및 PHB 생산을 위해 선정되었다. 질소 제한은 메탄영양균에서 PHB 축적을 자극했으나 공생(공영) 컨소시엄의 성장을 저해하였다. 질소 공급원을 2.9 mM로 하였을 때, 모사 바이오가스에서 1.13 g/L의 생체량과 83.0 mg/L의 PHB를 얻을 수 있었다. 이러한 결과는 공생이 온실가스를 효율적으로 유용한 생성물로 전환할 잠재력이 있음을 보여준다.

포르메이트를 형성하기 위한 일산화탄소(CO)의 생물학적 전환은 버블(기포) 합체로 인해 기-액 간 물질전달 한계가 발생함에 따라 저해된다. 이는 기체 교환을 위한 계면적을 감소시킨다. 본 연구에서는 공기리프트(bioreactor)에 천공(b) 배플(perforated baffle)을 적용하고, 그 위에 혐기성(air-ophobic) 코팅을 도입하는 새로운 접근을 제시한다. 혐기성 코팅은 버블 합체를 억제하여 물질전달 효율을 향상시키고 CO의 포르메이트 전환 속도를 증가시킨다. 먼저, 효소 반응에서 CO 기체의 물질전달 속도가 최적 조건에서 최대 생산성을 결정한다는 것을 확인하였다. 이어서 천공 배플에 대한 혐기성 코팅 조건을 최적화하여 효과적인 기포 파쇄를 달성하였다. 최적화된 코팅 조건의 혐기성 코팅 천공 배플을 반응기에 설치함으로써 효율적인 기포 파쇄를 유도하고, 기포 크기를 감소시키며, 기-액 물질전달 계수를 증가시켰다. 그 결과 CO-포르메이트 전환에서 최대 부피 생산성 60.4 mM/h를 달성하였으며, 이는 코팅 배플이 없는 바이오리액터 대비 72% 증가한 값이다. 이러한 유의미한 개선은 기-액 물질전달을 향상시키는 데서 혐기성 코팅의 효과를 보여주며, 생물학적 기체 전환 산업에서 효율과 확장성을 높이기 위한 새로운 전략을 제공한다.

산소가 없는 상태에서의 열분해(열적 분해)인 열분해(pyrolysis)는 목질계 바이오매스의 전체 분획으로부터 수송 가능한 액체를 생산할 수 있는 유망한 기술이다. 그러나 열분해의 친수성 생성물로 인해 액상 오일은 바람직하지 않은 물리화학적 특성을 가지므로, 추가적인 고도화(upgrading) 공정이 필요하다. 생물학적 고도화 방법은 다양한 친수성 화합물을 탄소원으로 활용하여, 낮은 탄소 발자국과 온화한 조건 하에서 열분해의 단점을 보완할 수 있다. 지질, 에탄올, 유기산과 같은 다양한 유용 화학물질은 친수성 분획에서 무수당(anhydrous sugars), 유기산, 알데하이드, 페놀릭스(phenolics) 등을 미생물이 동화(assimilate)함으로써 생산될 수 있다. 여러 독성 화합물의 존재와 수상(aqueous phase)의 복잡한 조성이 주요 과제이다. 본 총설에서는 열분해 오일의 수상을 고도화하기 위한 생물전환(bioconversion) 경로의 잠재력을, 핵심적인 도전 과제와 전망과 함께 조사한다.

OPG가 포함된 OB3b는 메탄 전환 및 PHB 생산을 위해 선정되었다. 질소 제한은 메탄영양균에서 PHB 축적을 자극했으나 공생(공영) 컨소시엄의 성장을 저해하였다. 질소 공급원을 2.9 mM로 하였을 때, 모사 바이오가스에서 1.13 g/L의 생체량과 83.0 mg/L의 PHB를 얻을 수 있었다. 이러한 결과는 공생이 온실가스를 효율적으로 유용한 생성물로 전환할 잠재력이 있음을 보여준다.

주변 조건에서 유량을 달리하여도 성공적으로 달성되었다.

용해성 메탄 모노옥시게네이스(sMMO)는 대기 조건에서 비(非)헴 디-철 활성 부위에서 메탄(CH4)을 하이드록실화하는 효소이며, 메탄은 강력한 온실가스이다. 조절 성분(MMOB)은 하이드록실레이스(MMOH)의 촉매 활성에 필수적이며, 활성 부위에서의 구조적 변화를 유도하고 기질의 유입을 촉진한다. 최근 냉동 전자현미경(cryo-EM)의 발전은 sMMO 촉매 기전의 고해상도적 양상을 규명할 수 있게 해주었다. 우리는 이전에 해석된 결정 구조들과는 대조적으로, MMOH–MMOB의 2.85 Å cryo-EM 구조를 기술한다. 이 구조에서는 MMOB이 MMOH에 1개의 등가로 결합되어 있으며(H-1B), 이는 기존에 보고된 결정 구조들과 차이가 있다. MMOB은 MMOH 프로토머(αβγ)를 알로스테리적으로 조절하고, 표면에서 디-철 배위 부위로 전달되는 구조적 변화를 유도한다. MMOH β-서브유닛의 N-말단 영역(NT-Hβ)은 철 배위 및 산소 활성화에 필수적인 헬리스를 안정화한다. MMOB이 결합된 프로토머(HB A , αβγB)는 Fe···Fe 거리 2.7 Å에 대한 최초의 구조적 보고를 제공하는 반면, MMOB이 결합되지 않은 프로토머(HB B , αβγ) 및 MMOH는 3.1 Å 거리를 보인다. Fe–리간드의 배위는 MMOH의 β 및 γ 서브유닛이 제공하는 구조적 안정화에 의해 유지된다. 본 새 냉동 전자현미경 구조는 새로운 배위 환경을 드러내며, sMMO 촉매 작용에 대한 결정적인 기전적 통찰을 제공한다.

우리는 메탄만으로부터 poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxypropionate) [P(3HB-co-3HP)] 공중합체를 생산하기 위한 생합성 방법을 보고한다. 우리는 Methylosinus trichosporium OB3b에서 메탄으로부터 출발하는 3-hydroxypropionate(3HP) 생합성 경로를 구축하고, P(3HB-co-3HP) 공중합체에 대한 3HP의 도입을 최적화하기 위해 3HP-CoA transferase를 과발현하였다. β-alanine 경로와 malonyl-CoA 경로를 비교한 결과, 후자가 3HP 단량체 형성에 대한 더 큰 잠재력을 보임을 확인하였다. 또한 서로 다른 세 가지 출처의 3HP-CoA synthetase에 대한 활성도 조사하였으며, 3HP 도입에 가장 효과적인 효소는 Metallosphaera sedula 유래 효소임을 발견하였다. 셰이크 플라스크 배양에서 유일한 탄소원으로 메탄을 사용하여 재조합 균주를 개발한 결과, 최적 균주는 OB3b-MCRM-3S였고, 이 균주는 바이오매스의 최대 25.62%까지 P(3HB-co-3HP) 공중합체를 형성하였으며, 최대 3HP 수준은 9.02 mol%였다. 본 연구는 메탄영양균을 이용한 메탄 생물전환을 통해 생체고분자 P(3HB-co-3HP) 공중합체의 성공적인 생산이 가능함을 보여준다.