281: 셀룰라아제와 바이오에너지 (Cellulases and Bioenergy)

Author: David S. Goodsell Translator: PDBj

진균류의 일종인 트리코더마 리세이(Trichoderma reesei)의 Cel7A는 당사슬 결합 모듈(위)과 촉매 도메인(아래, 셀룰로오스는 갈색으로 표시)이 유연한 링커로 연결되어 있다. 당사슬 결합 모듈은 여러 티로신(하늘색)과 글리코실화 부분(연갈색)을 포함하여 셀룰로오스 섬유의 표면을 잡을 수 있다.
진균류의 일종인 트리코더마 리세이(Trichoderma reesei)의 Cel7A는 당사슬 결합 모듈(위)과 촉매 도메인(아래, 셀룰로오스는 갈색으로 표시)이 유연한 링커로 연결되어 있다. 당사슬 결합 모듈은 여러 티로신(하늘색)과 글리코실화 부분(연갈색)을 포함하여 셀룰로오스 섬유의 표면을 잡을 수 있다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

석유에서 유래한 연료는 줄어들고 있고 기후변화의 주요 원인이 되기도 한다. 그래서 바이오에너지 연구자들은 자연계로 눈을 돌려 인류에게 제공할 보다 깨끗하고 재생 가능한 연료를 찾고 있다. 에탄올(ethanol)은 연료로서 혹은 지속가능한 항공연료를 제조하기 위한 중간체로서 매력적인 해결책의 하나가 되지 않을까 생각되고 있다. 알코올 음료는 유사 이전부터 당을 발효해 제조됐으나 현재 이와 같은 기술을 사용해 연료가 되는 에탄올이 만들어지고 있다. 현재 당의 대부분은 옥수수와 사탕수수로 조달되고 있는데, 이 방식은 식량 생산에 적합한 토지를 에너지용으로 전용하게 되어버리고, 또한 작물을 생산할 때 많은 에너지를 소비하므로 이상적이라고 할 수 없다. 이에 스위치글라스, 포플러, 옥수수 줄기 등 보다 튼튼하고 식용이 되지 않는 작물인 셀룰로오스(cellulose)를 에탄올로 변환하는 방법을 찾는 노력이 계속되고 있다.

셀룰로오스 분해

셀룰로오스는 포도당(glucose)으로 이루어져 있는데 포도당끼리 견고하게 결합하여 안정적인 폴리머로 되어 있다. 셀룰로오스 합성효소(cellulose synthase)가 셀룰로오스 사슬을 여러 개 중첩하여 더욱 튼튼한 섬유로 만들면서 셀룰로오스가 만들어진다. 따라서 셀룰로오스를 발효하여 에탄올을 공업적으로 제조할 경우 미리 셀룰로오스 사슬을 분리하여 작은 당으로 절단해 둘 필요가 있다. 일반적으로 식물 원료는 화학약품이나 ‘수증기 폭발’ 등 강력한 과정을 통해 전처리를 해놓고 식물의 세포벽을 파괴함으로써 효소가 셀룰로오스 섬유에 작용할 수 있도록 한다. 다음으로 셀룰라아제 효소군을 조합하여 작용시킴으로써 셀룰로오스 섬유를 개개의 당으로 분해하여 나간다. 이 셀룰라제 효소의 원료가 되는 것이 트리코더마 리세이(Trichoderma reesei, 일명 히포크레아 제코리나(Hypocrea jecorina))라는 진균이다. 이는 제2차세계대전 중 솔로몬제도에서 발견된 종으로 면 원단에 자라고 있던 것이다. 현재는 바이오에탄올 제조 외에도 스톤워시 청바지의 데님을 부드럽게 하는 등의 작업에도 널리 이용되고 있다.

셀룰라아제의 과학

셀룰라아제 중에는 튼튼한 셀룰로오스 섬유를 분해하기 위한 도메인을 2개 가진 것이 있다(여기에 나타낸 것은 PDB 엔트리 7cel과 2mwk의 구조). 한쪽 도메인에는 셀룰로오스 사슬에 딱 맞는 긴 홈이 있고 셀룰로오스 사슬은 여기에 결합하여 포도당 분자 간의 결합이 당겨지고 절단하기 위한 촉매 기구를 향해 배치된다. 다른 한 도메인은 셀룰로오스에 결합하여 효소가 항상 올바른 위치에 있도록 하고 많은 절단 반응을 빠르고 연속적으로 수행할 수 있도록 하고 있다.

셀룰라아제 칵테일

티로신을 하늘색, 당사슬을 연갈색, 금속이온을 자홍색으로 나타낸 Cel61B와 활성 부위에 있는 당 분자를 빨간색으로 나타낸 β-글루코시다아제.
티로신을 하늘색, 당사슬을 연갈색, 금속이온을 자홍색으로 나타낸 Cel61B와 활성 부위에 있는 당 분자를 빨간색으로 나타낸 β-글루코시다아제. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

트리코더마 리세이와 같은 균류는 셀룰로오스 분해 효소의 복잡한 혼합물을 분비하고 이들이 연계해 셀룰로오스 섬유를 공격한다. 여기에서는 2가지 예를 소개하지만 그 외에도 PDB 아카이브에 효소의 구조가 다수 공개되어 있다. 엔도글루카나아제 7(endoglucanase 7)로 알려진 Cel61B는 금속이온을 이용해 활성산소를 발생시켜 셀룰로오스를 공격하는 적극적인 방법을 사용한다(PDB 엔트리 2vtc). Cel7A의 셀룰로오스 결합 도메인과 마찬가지로 Cel61B에도 몇 개의 티로신이나 글리코실화된 부위가 있어 셀룰로오스 섬유와의 접착을 돕고 있다. β-글루코시다아제(beta-glucosidase, PDB 엔트리 3zyz)는 반응 과정의 후반에 셀룰로오스의 짧은 단편을 개개의 포도당으로 절단하는 작용을 한다.

구조 보기

셀룰라아제

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셀룰라아제는 그 기능을 효율화하기 위해 많은 분자적 기법을 사용하고 있다. 상술한 바와 같이 셀롤라아제는 셀룰로오스 섬유의 표면에 결합하는 도메인이나 표면을 갖는 경우가 많다. 또한 셀룰로오스와 결합하는 부위의 형태도 특화된 기능을 할 수 있도록 조정되어 있다. Cel7A(PDB 엔트리 4c4c)에서는 몇 개의 루프가 셀룰로오스 폴리머를 둘러싸고 한쪽 끝에는 활성 부위가 있는 터널을 만들고 있다. Cel7A는 이 구조를 사용하여 셀룰로오스 섬유 말단에서 작은 2당 조각을 잘라낸다. 한편 Cel7B(엔드글루코나아제 EG-1, endoglucanase EG-1, PDB 엔트리 1eg1)는 이들 루프가 없고, 셀룰로오스 사슬의 어느 위치에나 결합할 수 있는 개방된 홈을 가지고 있기 때문에 사슬의 도중에 셀룰로오스를 절단할 수 있다. 그림 우측의 확대도에는 다른 분자적 기법을 나타내고 있다. 이 효소들은 한쪽 당이 가진 고리(여기서는 연한 적갈색으로 나타냄)를 안정도가 낮은 배치로 왜곡시키는 경우가 자주 있다. 이 왜곡은 2개의 글루탐산(하늘색)에 의해 촉매되는 절단 반응에서 단당끼리의 사이를 연결하고 있는 산소(빨간색)를 활성화하는 데 도움이 된다. 그림 아래의 버튼을 클릭하여 인터랙티브로 조작할 수 있는 이미지로 전환하여 이러한 구조를 보다 자세하게 살펴보기 바란다. 덧붙여 PDB 엔트리 4c4c의 셀룰로오스 사슬은 양쪽 단백질로 표시하고 있다.

이해를 높이기 위한 토픽

  1. PDBj의 검색이나 RCSB PDB의 Annotation Browser를 사용하여 다른 셀룰라아제 구조를 찾을 수 있습니다. 3.2.1.4(셀룰라아제(cellulases): PDBj / RCSB PDB)나 3.2.1.91(셀룰로오스 1,4-β-셀로바이오시데이스(cellulose 1,4-beta-cellobiosidases): PDBj / RCSB PDB)로 검색해 보십시오.
  2. Cel7A가 가진 두 도메인을 연결하는 유연한 루프를 보려면 AlphaFold2에 의해 예측된 구조 AF_AFP62694F1을 보십시오. 링커 말단에는 유연성을 높이기 위한 프롤린이 몇 개 있고 글리코실화되어 있을 가능성이 있는 트레오닌과 세린이 다수 있다는 점에 주목하십시오.
  3. 셀룰라아제의 과학에 관한 약간의 주의 사항: 셀룰라아제에는 많은 종류가 있으며 과학자들은 사물을 분류하고 이름 짓는 것을 매우 좋아합니다. 따라서 같은 효소에 여러 가지 다른 이름이 붙어 있는 경우가 자주 있습니다. 예를 들어 Cel7A라는 짧은 이름은 셀룰라아제 효소군의 큰 틀의 분류에 근거한 이름이고, 1,4-β-D-글루칸 셀로비오히드로라아제 I(1,4-beta-D-glucan cellobiohydrolase I)이나 셀룰로오스 1,4-β 셀로바이오시데이스(cellulose 1,4-beta cellobiosidase), 엑소글루카나제 I(exoglucanase I) 등의 긴 이름은 셀룰로오스 사슬의 말단에서 2당 단위로 절단하는 작용을 나타내고 있습니다.

참고문헌

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이 기사는 RCSB PDB의 PDB-101로 제공되고 있는 「Molecule of the Month」의.2023년5월의 기사를 한국어로 번역한 것입니다.전재·인용에 대해서는 이용 규약을 봐 주세요.

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