세포벽 리그닌의 분자구조를 바꾸는 방법 개발

리그닌은 식물의 세포벽에 포함된 복잡한 구조를 한 고분자 (방향족 중합체)입니다. 목재등에서 펄프 및 화학 제품 원료가되는 셀룰로오스등을 꺼낼 때 리그닌을 부분적으로 분해하여 제거해야합니다. 현재 고온고압 조건에서 알칼리와 산을 사용 처리 방법으로는 막대한 에너지를 소비합니다. 또한 리그닌을 꺼내기 쉽게하는 유전공학 기술이 연구되어 왔지만, 리그닌을 변경한 식물이 제대로 자라지 않는 문제가 있었습니다. 따라서 생육에 영향을 미치지 않는 새로운 리그닌 수정 기술의 개발이 요구되고있었습니다.

리그닌을 분해하는 박테리아 Sphingobium sp. SYK-6 주 고립 분해 반응에 관한 유전자를 분석했다. 그 결과,이 박테리아는 식물이 리그닌을 합성하는 데있어 대사 경로를 수정하는 데 효과적인 유전자가 얼마든지 존재하는 것으로 밝혀졌습니다. 이번에 그 중 하나 LigD 유전자를 식물에 도입하여 식물의 생육에 영향을주지 않고 리그닌 분자에 특징적인 β-O-4 형 구조 주 2) 의 일부를 수정하기로 성공했습니다. 이는 알칼리 반응 액 중에서 리그닌 분해 성이 향상 될 것으로 기대됩니다.

우리 주변에는 종이와 섬유 사료를 비롯해 식물의 세포벽을 원료로 한 소재가 풍부하게 존재합니다. 식물의 세포벽은 차 벽 및 보조 벽으로 대별되지만 일반적으로 이차 벽은 차 벽보다 두껍고, 그 주성분으로 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스등의 다당류 외에도 방향족 고분자 인 리그닌 20 ~ 30 % 포함. 세포벽의 다당류는 종이나 섬유의 원료가되고, 최근에는 바이오 에탄올과 바이오 플라스틱 등 액체 연료 및 화학 제품의 원료로 사용도 검토되고 있습니다. 한편, 식물의 생존에 중요한 리그닌은 식물을 산업 원료로 사용할 때는 방해가되는 경우가 많으며, 어떤 방법으로 리그닌을 다당에서 분리해야합니다. 예를 들어, 목재 화학 펄프를 만드는 대규모 공장에서는 고온 고압조건하에서 수산화 나트륨과 황화 나트륨을 포함한 약액을 사용함으로써 목재중의 리그닌을 분해하여 다당류를 주성분으로하는 펄프를 제조하고 있습니다. 또한 기술 개발이 진행 식물 바이오 매스에서 바이오 에탄올과 바이오 플라스틱 제조시에도 같은 방법으로 리그닌을 분해 제거해야합니다.

일반적으로 이러한 리그닌을 제거 처리는 대량의 에너지와 화학 약품을 사용하기 때문에 많은 이산화탄소를 대기 중으로 배출합니다. 더 온화한 조건에서 리그닌을 분해 있다면, 이산화탄소 배출 억제뿐만 아니라 공정중 과도한 다당 분해가 방지되어, 식물 원료의 새로운 활용을 기대할 수 있습니다. 이러한 것을 배경으로 90 년대부터 유전자 재조합을 이용하여 세포벽에 포함된 리그닌의 양이나 분자 구조를 변경하는 시도가 활발하게되었습니다. 기존의 많은 연구 예제에서는 리그닌 모노머 (단량체)가 만들어지는 때하는 효소 유전자의 기능을 억제 폴리머인 리그닌을 만들고 어렵게하는 것을 목적으로 하고 있었습니다. 그러나 이러한 연구에서 작출된 유전자 재조합 식물은 성공적으로 생육하지 않는 경우가 많으며, 리그닌 합성을 잘 제어하는​​ 방법의 개발이 요구되고있었습니다. 리그닌을 변경한 식물이 제대로 자라지 않는 원인의 하나는 리그닌을 만들기 위한 대사 경로가 다른 방향족 성분을 만들기 위해 이용되고 있기 때문에 리그닌만 조​​절하려고해도 식물 생육에 중요한 다른 대사 산물도 동시에 변화해 버리는 것이 었습니다.

리그닌의 분자를 특이적으로 변경하는 방법을 검토하고 왔습니다. 리그닌은 다양한 분자간의 결합 양식이 있지만, 그 중 가장 많이 존재하는 것이 β-O-4 형 결합입니다. 이 결합 양식은 리그닌 전체의 50 ~ 70 %를 차지하고 있으며, 산업적인 리그닌의 분해 공정이 결합을 우선적으로 절단하는 처리 방법이 채용되고 있습니다. 그래서이 β-O-4 형 구조를 특이 적으로 변경하여 리그닌의 분해를 향상시키는 것으로, 식물 바이오 매스의 가공 공정에서 배출되는 온실 가스의 억제에 기여하는 식물의 육종 기술 개발 을 목표로했습니다.

저분자 리그닌을 분해하는 박테리아 Sphingobium　SP. SYK-6 주를 자연계에서 분리 신진대사 기능의 분석뿐만 아니라,이 박테리아의 대사 산물을 바이오 플라스틱에 적용하는 연구를 활발히 진행하고 왔습니다. 식물의 리그닌을 수정하는 방법을 모색하는 가운데, SYK-6 주가 가진 효소 LigD에 주목했습니다. 지금까지 LigD이 리그닌의 이합체 (이합체)의 모델 화합물을 산화하는 것을 분명히하고 있었습니다만, 이번 LigD이 식물에서 합성되는 리그닌 이합체와 다량체의 벤질 정도도 산화하는 것을 규명했다. β-O-4 결합은 리그닌 모노머 및 모노머에 이르기 대사 중간체에 존재하지 않기 때문에 LigD 식물에서 발현하여 리그닌에 특이적인 분자 구조의 변경을 기대할 수 있습니다.

또한 리그닌 분자 벤질정도 구조를 도입하여 리그닌의 주요 결합인 β-O-4 결합의 분해가 촉진될 수 있음이 오래전부터 알려져 있습니다. LigD 유전자를 모델 식물인 애기 장대에서 발현시킨 결과, 재조합 체는 예상대로 LigD 활성이 검출되었습니다. 또한 LigD을 발현하는 재조합체의 리그닌 구조를 2 차원 NMR을 이용하여 조사한 결과, 리그닌 분자 벤질 정도의 케토 구조가 야생형 식물의 약 3배까지 증가하고있는 것이 분명 되었습니다. 이것은 고분자 리그닌에 특징적인 분자 구조를 인식하는 효소를 이용하여 식물 세포벽에 포함 된 리그닌의 구조 개편에 성공한 세계 최초의 사례입니다.