로잔 공과대학(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) 과학자들은 대장균(E.coli) 박테리아를 조작해 폐수(wastewater)에서 전기를 생산했다고 발표했다.

아르데미스 보고시안(Ardemis Boghossian) EPFL의 교수는 “자연적으로 전기를 생산하는 외래 미생물이 이미 존재하지만 이들은 특정 화학물질이 있을 때만 전기를 생산할 수 있다”라며 ”반면, 대장균은 폐수를 포함한 다양한 환경에서 전기를 생산할 수 있다”고 말했다.

줄(Joule) 저널에 실린 논문에서 보고시안 팀은 대장균 박테리아의 전기 생성 능력을 향상시킨 생체 전자 공학의 성과를 보고했다. 

대장균은 유전자 구성을 쉽게 조작할 수 있기 때문에 오랫동안 미생물 연구자들이 선호해왔다.

대장균 박테리아는 ‘세포외 전자전달(Extracellular electron transfer, EET)’ 과정을 통해 전기를 생산한다. EPFL 연구원들은 대장균 박테리아가 향상된 EET 능력을 보이도록 조작했고, 박테리아를 매우 효율적인 “전기 미생물”로 만들었다. 

이번 연구의 주요 혁신 중 하나는 대장균 내에 완전한 ‘EET 경로’를 만드는 것이다.

전기를 생산하는 것으로 유명한 박테리아인 민물 퇴적층 박테리아(Shewanella oneidensis MR-1)의 구성 요소를 통합함으로써, 연구자들은 세포의 내부 및 외부 막에 걸쳐 있는 최적화된 경로를 성공적으로 구축했다. 

이 새로운 경로는 기존에 비해 전류 발생량을 3배 증가시켰다.

중요한 것은 조작된 대장균이 양조장에서 수집한 폐수를 포함한 다양한 환경에서 뛰어난 성능을 보였다는 것이다. 생체공학 전기 대장균은 다양한 환경에서 유기 기질을 대사하면서 전기를 생산했다.

이는 유기 폐기물 처리와 동시에 전기를 생산하는 혁신적인 솔루션을 의미한다. 

보고시안의 연구팀은 로잔에 있는 지역 양조장인 레 브라쇠르(Les Brasseurs)에서 수집한 폐수에 기술을 실험했다. 

생체공학 대장균은 양조장에서 수집한 폐수를 먹어 치움으로써 기하급수적으로 번성하는 반면, 외래 전기 미생물은 생존조차 하지 못했다.

생체 전기 미생물은 점점 더 많은 실제 응용 분야에서 사용되고 있다.

다양한 출처로부터 전기를 생산할 수 있는 능력이 있는 생체공학 대장균은 미생물 연료 전지, 전기 합성, 그리고 바이오 감지 등에 활용될 수 있다. 

또한, 박테리아의 유전적 유연성은 그것이 특정 환경과 사료에 적응하도록 조정될 수 있다는 것을 의미하며 지속가능한 기술 개발을 위한 도구로써의 가능성을 의미한다.

한편, 생체공학 대장균의 성능을 최적화하고 실제 적용을 위해 기술을 확장하려면 추가적인 연구 개발이 필요할 것으로 보인다. 

[원문보기]

Bacteria generate electricity from wastewater

In a breakthrough for the field of bioelectronics, researchers at EPFL have enhanced the ability of E. coli bacteria to generate electricity. The innovative approach offers a sustainable solution for organic waste processing while outperforming previous state-of-the-art technologies, opening new horizons for versatile microbial electricity production.

“We engineered E. coli bacteria, the most widely studied microbe, to generate electricity,” says Professor Ardemis Boghossian at EPFL. “Though there are exotic microbes that naturally produce electricity, they can only do so in the presence of specific chemicals. E. coli can grow on a wide range of sources, which allowed us to produce electricity in a wide range of environments, including from wastewater.”

In a paper published in the journal Joule, Boghossian’s team report a groundbreaking achievement in bioelectronics, advancing the capabilities of common E. coli bacteria to generate electricity. The work outlines a novel approach that could revolutionize both waste management and energy production.

E. coli bacteria, a staple of biological research, have been harnessed to create electricity through a process known as extracellular electron transfer (EET). The EPFL researchers engineered E. coli bacteria to exhibit enhanced EET, making them highly efficient “electric microbes.” Unlike previous methods that required specific chemicals for electricity generation, the bioengineered E. coli can produce electricity while metabolizing a variety of organic substrates.

One of the study’s key innovations is the creation of a complete EET pathway within E. coli, a feat not achieved before. By integrating components from Shewanella oneidensis MR-1, a bacterium famous for generating electricity, the researchers successfully constructed an optimized pathway that spans the inner and outer membranes of the cell. This novel pathway surpassed previous partial approaches, and led to a three-fold increase in electrical current generation compared to conventional strategies.

Wastewater as a playground

Importantly, the engineered E. coli exhibited remarkable performance in various environments, including wastewater collected from a brewery. While exotic electric microbes faltered, the modified E. coli thrived, showcasing its potential for large-scale waste treatment and energy production.

“Instead of putting energy into the system to process organic waste, we are producing electricity while processing organic waste at the same time – hitting two birds with one stone!” says Boghossian. “We even tested our technology directly on wastewater that we collected from Les Brasseurs, a local brewery in Lausanne. The exotic electric microbes weren't even able to survive, whereas our bioengineered electric bacteria were able to flourish exponentially by feeding off this waste.”

The implications of the study extend beyond waste treatment. Being abile to generate electricity from a wide range of sources, the engineered E. coli can be utilized in microbial fuel cells, electrosynthesis, and biosensing – to name a few applications. In addition, the bacterium’s genetic flexibility means that it can be tailored to adapt to specific environments and feedstocks, making it a versatile tool for sustainable technology development.

“Our work is quite timely, as engineered bioelectric microbes are pushing the boundaries in more and more real-world applications,” says Mohammed Mouhib, the study’s lead author. “We have set a new record compared to the previous state-of-the-art, which relied only on a partial pathway, and compared to the microbe that was used in one of the biggest papers recently published in the field. With all the current research efforts in the field, we are excited about the future of bioelectric bacteria, and can’t wait for us and others to push this technology into new scales.”

[출처 = EPFL(https://actu.epfl.ch/news/bacteria-generate-electricity-from-wastewater/) / 2023년 9월 11일]

[번역 = 박원희 기자]