지속성 화학 오염물질로 인한 환경오염의 증가는 효율적이고 지속가능한 정화(remediation) 해결책의 개발을 요구한다. 생물학적 정화(bioremediation)는 유망한 경로를 제공하며, 전세포(whole-cell) 고정화(immobilization)는 미생물을 가혹한 조건으로부터 보호하고 재사용이 가능하게 하여 성능을 향상시키는 핵심 전략이다. 다양한 담체 중에서, 해조류에서 유래하는 재생 가능한 생체고분자인 알지네이트(alginate)는 완만한 겔화(mild gelation), 생체적합성, 낮은 비용으로 인해 뛰어난 매트릭스로 평가된다. 본 리뷰는 천연(native) 알지네이트 생체고분자가 지닌 한계를 어떻게 알지네이트 기반 물질의 전략적 공학적 설계를 통해 극복하는지 비판적으로 고찰한다. 공유 결합성 가교(covalent crosslinking), PVA 및 키토산(chitosan)과 같은 물질과의 상호침투 고분자 네트워크(interpenetrating polymer networks, IPNs) 형성, 바이오차(biochar), 점토(clays), 나노소재(nanomaterials)와 같은 기능성 흡착제(functional adsorbents)를 포함하는 고도 복합체 및 하이브리드의 개발을 포함하여 주요 개질(modification) 전략에 대한 포괄적 분석을 제공한다. 이어서 본 리뷰는 이러한 공학적 생물촉매(biocatalysts)의 다양한 오염물 정화 적용에 있어 최근의 진전들을 체계적으로 요약하며, 중금속 포획(heavy metal sequestration), 난분해성 유기오염물질의 분해, 산업용 염료의 제거에서 향상된 성능을 강조한다. 재료과학과 환경생명공학을 연결함으로써, 본 리뷰는 견고하고 효과적인 환경 정화를 위한 차세대 ‘living catalysts’의 설계 원리를 규명한다.

에탄올은 미생물 기반 생물제조에서 매력적인 C2 공급원료인데, 에탄올이 유리한 산화환원 균형 하에서 아세틸-CoA로 직접 산화되기 때문이다. 다목적 플랫폼 화합물인 3-하이드록시프로피온산(3-HP)은 말로닐-CoA 및 β-알라닌 경로를 통해 합성될 수 있다. 유도제 무첨가의 에탄올-3-HP 공정을 Pseudomonas putida KT2440에서 개발하였는데, 두 경로 모두를 구성적으로 발현되도록 활성화하고, 목표 생성물로의 플럭스를 유도하기 위해 원래의 3-HP 분해와 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 합성을 삭제하였다. 각 경로 및 이들의 동시 활성화를 평가하였고, 전사체 데이터로 제약한 게놈 스케일 모델을 적용하여 경로 선택과 성능을 좌우하는 대사 노드를 규명하였다. 1%(v/v) 에탄올을 사용한 쉐이크 플라스크 실험에서 말로닐-CoA 경로는 β-알라닌 경로보다 더 높은 3-HP 생산성을 보였다. PHA 결핍 균주에서 두 경로를 동시 활성화하면 생산이 15.9 mM(1.42 g/L; 179 mg/g 에탄올)로 향상되면서 아세테이트의 과잉 배출(overflow)이 감소하였다. 연속 에탄올을 공급하는 배치-회분(fed-batch)에서, 공학화 균주는 3-HP 43.7 mM(3.92 g/L; 154 mg/g 에탄올)에 도달하였다. 내인성 3-HP 분해 및 PHA 합성의 삭제는 탄소 플럭스를 생성물로 재지향하였고, 이종 아세트알데하이드 탈수소효소를 도입하여 추가적인 아세틸-CoA 공급도 확보하였다. 전사체 데이터로 제약한 게놈 스케일 모델링 결과, 글리옥실레이트 샌치(glyoxylate shunt)를 통한 지배적 플럭스 라우팅과 옥살로아세테이트 재생의 제한이 말로닐-CoA 경로의 우위를 설명하며, β-알라닌 작동 시와 연관된 아세테이트 축적을 유발함이 확인되었다. 유도제 무첨가 에탄올-3-HP 플랫폼 공정은 P. putida KT2440에서 말로닐-CoA 경로와 β-알라닌 경로를 동시에 활성화하고, 3-HP 분해 및 PHA 합성과 같은 경쟁적 침루(sink)를 제거함으로써 확립되었다. 이러한 접근은 수율을 향상시키고 아세테이트 과잉 배출을 감소시켰으며, 시스템 수준 분석을 통해 글리옥실레이트 샌치와 옥살로아세테이트 제한을 핵심 제어 지점으로 확인하였다. 전반적으로, 본 연구는 에탄올로부터 3-HP를 생산하는 효율적이며 확장 가능한 경로를 보여준다.