이산화탄소(CO 2 )를 부가가치 화학물질로 업사이클링하는 전략은 지속가능한 탄소 활용에 대한 설득력 있는 접근을 제공한다. 그러나 에너지 밀도가 높고 사슬이 긴 분자를 효율적으로 합성하는 일은 여전히 중대한 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 CO 2 전기화학 환원(전기분해)과 미생물 발효를 결합한 공간적으로 분리된 전기-생물 시스템을 제시하여 고부가가치 화학물질을 생산한다. 타닌산–Cu 2+ 금속-페놀릭 네트워크를 사용하는 촉매 플랫폼을 개발하여 공유 결합 고분자(covalent-organic polymer) 내에서 Ag 및 Cu 2 O 나노입자의 합성을 공간적으로 구속함으로써, 탠덤 촉매 자리를 형성한다. 이러한 설계는 CO 2 → 에탄올 선택성을 크게 향상시켰으며(패러데이 효율: 44.5%), 전류 밀도를 400 mA cm −2 로 증대시킨다. 소형 막 전극 조립체 반응기(5×5 cm 2 )는 순수 물에서 에탄올 생산을 가능하게 하고, 공학적으로 조작된 Escherichia coli가 이를 추가로 전환하여 이타콘산, 이소프로판올 및 폴리하이드록시부티르산을 생성한다. 모듈형 설계는 전기화학적 환원과 미생물 생물전환을 최적화하여 대사 부담을 줄이고 효율을 향상시키며, CO 2 가치화를 위한 확장 가능하고 적응성 있는 바이오하이브리드 플랫폼을 제공한다.

에너지 작물은 기후변화에 대응하면서 미래의 에너지 및 화학물질 수요를 충족하는 데 중요한 역할을 한다. 그러나 저탄소 공정의 이상화와 비용-편익 방정식에 대한 면밀한 고려는 이들을 보다 지속가능하게 구현하기 위해 필수적이다. 여기에서는 수용성 탄화수소 및 질소의 비율이 높고, 리그노셀룰로오스가 상대적으로 적으며, 산이 존재한다는 점에 주로 기인한 탁월한 물 용해성 때문에 담배를 유망한 에너지 작물로 제안한다. 이어서 우리는 에너지 및 물질 투입을 최소화하면서 바이오 기반 제품으로의 바이오매스 전환을 극대화하는 전략을 설계하였다. 물에서 담배 잎을 오토클레이브 처리함으로써, 광범위한 전처리, 가수분해 또는 추가 보충제의 필요 없이 미생물의 성장과 바이오제품 생산을 지지할 수 있는 영양이 풍부한 배지를 얻었다. 또한 황폐지에서 담배를 재배하면, 연간 약 5730억 갤런의 에탄올을 생산하기에 충분한 바이오매스를 생성할 수 있다. 이 접근법은 바이오정유(biorefinery) 공정에서 기존의 옥수수 스토버(corn stover)에 비해 온실가스 배출을 약 76%까지 감소시키는 결과도 가져온다. 따라서 본 연구는 탄소 배출 저감 및 전통적 방법에 비해 전지구적 지속가능 발전이라는 목표에 유의미하게 기여할 수 있는 새로운 직접 전략을 제시한다.

BTEX-페놀, 벤질 알코올, 2-페닐에탄올, 또는 2,5-자일레놀의 산소화 전구체 중 하나를 글루코스 또는 글리세롤로부터 생산하도록 4종의 균주를 각각 구성하였다. 개별적으로 설계된 균주를 유기 용매로 이소프로필 미리스테이트(IPM)를 사용하여, 생체 내에서 2상 추출 발효를 수행한 후, 산소화 전구체를 포함하는 유기상을 수상으로부터 분리하고 전구체를 해당 BTEX 화합물로 환원하기 위해 서로 다른 화학적 탈산소화 반응을 적용하였다. 호환 가능한 유기 용매에 기반한 이러한 모듈형 접근은 생물전환과 연속적인 화학적 유도체화를 간소화함으로써 지속가능한 BTEX 생산을 위한 실용적이고 실행 가능한 경로를 제공한다. 이 플랫폼은 확장 가능하며, 하이브리드 생물공정에서 생합성과 화학적 탈산소화를 통합하기 위한 일반화 가능한 틀을 제공한다.

재생 가능하고 식용이 아닌 바이오매스를 생물정유소(biorefinery)에서 처리하여, 산업적으로 가치 있는 화학물질과 소재를 지속가능한 생물 기반으로 생산하는 방식은 기후변화를 포함한 시급한 세계적 과제에 대응하고, 전 세계 국가들이 최근 공약한 “넷 제로 탄소(net zero carbon)” 목표를 실현하기 위한 핵심 전략으로 부상하였다. 대사공학은 다양한 표적 화합물을 효율적으로 과생산할 수 있는 미생물 균주를 개발하는 데 핵심적인 역할을 해왔다. 그럼에도 불구하고 공학적으로 설계된 미생물 세포공장(microbial cell factories)은 종종 생성물 합성과 세포 성장 사이의 본질적인 상충관계를 직면하며, 그 결과 적합도(fitness)가 저하되거나 기능 상실 표현형이 나타나는 일이 흔하다. 본 총설은 이러한 갈등을 조정(화해)하기 위한 대사공학 전략의 최근 발전을 조명한다. 여기에는 경로 최적화, 동적 조절(dynamic regulation), 상보적으로 독립적인(orthogonal) 시스템 설계, 미생물 컨소시엄(microbial consortia) 공학, 발효 공정 제어, 그리고 통합 대사 모델링(integrative metabolic modeling)이 포함된다. 또한 성장과 고수준 생산(high-level production)을 조화시키기 위해 미생물 대사를 재프로그래밍(reprogramming)하는 데 남아 있는 과제와 향후 방향을 탐색한다.

전기화학적 CO2 환원(ECO2R)은 전 세계 탄소 배출을 저감하는 동시에 가치 있는 화학물질을 생산하기 위한 핵심 전략이다. 그럼에도 불구하고, 기존의 ECO2R 공정은 단순한 C1 및 C2 화합물에 한정되어 있다. 본 연구에서는 기체 CO2를 l-젖산(l-LA)으로 직접 전환하기 위한 바이오전기 하이브리드 시스템을 제시한다. l-LA는 생분해성 폴리락트산의 유용한 전구체이다. 이 시스템은 CO2 전해조와 대사적으로 공학화된 대장균(Escherichia coli)을 통합하여, CO2로부터 유래한 포름산(FA)을 대기 조건에서 l-LA로 효율적으로 생물전환할 수 있게 한다. 생리적으로 적합한 캐소드 용액(catholyte)을 사용하여 지속적인 FA 생산을 촉진하는 동시에, 공학화된 미생물의 생존을 위한 배지로도 활용하였다. 캐소드 용액의 조성, pH, 질소원, 그리고 전해조의 전류 밀도를 최적화함으로써 l-LA를 효율적으로 생산하였다. 최적 전류 밀도에서의 운전은 안정적인 FA 공급을 보장하면서 미생물 전환 효율을 최대화하였다. 본 연구는 고부가가치 화학물질로의 지속가능한 CO2 활용을 위한 확장 가능한 플랫폼의 잠재력을 제시하며, 바이오정유(biorefinery) 응용을 위한 바이오전기 하이브리드 기술의 발전에 기여한다.

이산화탄소(CO 2 )를 부가가치 화학물질로 업사이클링하는 전략은 지속가능한 탄소 활용에 대한 설득력 있는 접근을 제공한다. 그러나 에너지 밀도가 높고 사슬이 긴 분자를 효율적으로 합성하는 일은 여전히 중대한 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 CO 2 전기화학 환원(전기분해)과 미생물 발효를 결합한 공간적으로 분리된 전기-생물 시스템을 제시하여 고부가가치 화학물질을 생산한다. 타닌산–Cu 2+ 금속-페놀릭 네트워크를 사용하는 촉매 플랫폼을 개발하여 공유 결합 고분자(covalent-organic polymer) 내에서 Ag 및 Cu 2 O 나노입자의 합성을 공간적으로 구속함으로써, 탠덤 촉매 자리를 형성한다. 이러한 설계는 CO 2 → 에탄올 선택성을 크게 향상시켰으며(패러데이 효율: 44.5%), 전류 밀도를 400 mA cm −2 로 증대시킨다. 소형 막 전극 조립체 반응기(5×5 cm 2 )는 순수 물에서 에탄올 생산을 가능하게 하고, 공학적으로 조작된 Escherichia coli가 이를 추가로 전환하여 이타콘산, 이소프로판올 및 폴리하이드록시부티르산을 생성한다. 모듈형 설계는 전기화학적 환원과 미생물 생물전환을 최적화하여 대사 부담을 줄이고 효율을 향상시키며, CO 2 가치화를 위한 확장 가능하고 적응성 있는 바이오하이브리드 플랫폼을 제공한다.

에너지 작물은 기후변화에 대응하면서 미래의 에너지 및 화학물질 수요를 충족하는 데 중요한 역할을 한다. 그러나 저탄소 공정의 이상화와 비용-편익 방정식에 대한 면밀한 고려는 이들을 보다 지속가능하게 구현하기 위해 필수적이다. 여기에서는 수용성 탄화수소 및 질소의 비율이 높고, 리그노셀룰로오스가 상대적으로 적으며, 산이 존재한다는 점에 주로 기인한 탁월한 물 용해성 때문에 담배를 유망한 에너지 작물로 제안한다. 이어서 우리는 에너지 및 물질 투입을 최소화하면서 바이오 기반 제품으로의 바이오매스 전환을 극대화하는 전략을 설계하였다. 물에서 담배 잎을 오토클레이브 처리함으로써, 광범위한 전처리, 가수분해 또는 추가 보충제의 필요 없이 미생물의 성장과 바이오제품 생산을 지지할 수 있는 영양이 풍부한 배지를 얻었다. 또한 황폐지에서 담배를 재배하면, 연간 약 5730억 갤런의 에탄올을 생산하기에 충분한 바이오매스를 생성할 수 있다. 이 접근법은 바이오정유(biorefinery) 공정에서 기존의 옥수수 스토버(corn stover)에 비해 온실가스 배출을 약 76%까지 감소시키는 결과도 가져온다. 따라서 본 연구는 탄소 배출 저감 및 전통적 방법에 비해 전지구적 지속가능 발전이라는 목표에 유의미하게 기여할 수 있는 새로운 직접 전략을 제시한다.