Mineral carbonation is the most effective carbon capture technique; however, the conversion rate of $CO_2$ is generally below $10^{-1} s^{-1}$, which is too low for industrial applications. A biological solution exists. A high-ly efficient biocatalyst, carbonic anhydrase (CA), exhibits a high turnover rate of ~ $10^{6} s^{-1}$ under ambient conditions. Unfortunately, its practical use is limited by poor stability and a high cost for its production and purification. Here we introduce a robust whole-cell platform for the efficient production and stabilization of CA by genetically displaying CA in the mycolic layer of Corynebacterium glutamicum. In terms of expression level and enzymatic activity, an optimal anchoring protein was porin B with a triplet of GGGGS as a spacer. The whole-cell catalyst maintained about 60 % of its initial activity at $60^\circ C$ for 24 h, which was about 6 times higher than that of free CA. It was also significantly higher than E. coli-based whole-cell catalyst previ-ously reported. Our analysis indicate that the structural integrity of the cell display platform is critically im-portant for the thermal stability of CA. By facilitating the hydration of $CO_2$, our whole-cell catalyst enhanced the mineralization rate of $CO_2$, in the presence of calcium ions, $52.1 \pm 11.8 mg min^{-1}$, which was about 2 times higher than that without CA. Our study suggests that the Corynebacterium-based cell surface display can be a promising approach to the facile production and thermal stabilization of CA for efficient minerali-zation of post-combustion $CO_2$
지구온난화로 인해 전세계적으로 안정적이고 효율적인 이산화탄소의 포집 방법에 대한 연구가 활발하게 이루어지는 가운데, 광물화를 통한 이산화탄소의 포집은 최종 산물의 안정성이나 공정의 경제성 면에서 매우 효과적이다. 그러나, 이 과정에서 이산화탄소가 물에 녹아 수화되는 과정이 매우 느려, 산업화하기에 무리가 있다. 이 문제점을 해결하고자 생체에서 이산화탄소를 체액에 효과적으로 녹이는 데 기여하는 탄산무수화효소(CA)가 촉매로서 도입된 바 있다. 하지만 이 효소는 열적으로 불안정하고, 단백질의 정제과정에 고가의 비용이 소요되어 경제성 측면에서 한계가 명확하다. 최근 몇몇 학자들이 CA를 미생물의 표면에 표지함으로써 이 한계를 극복하였는데, 본 논문에서는 이 기법을 열적으로 안정적이라고 알려진 코리네박테리아에 도입해, 안정적으로 이산화탄소를 수화, 광물화하는데 사용하였다.
본 논문에서는 가장 촉매 활성이 좋지만 복잡한 구조의 인간 CA대신, 인간 CA와 비슷한 활성을 가지면서도 간단하고 미생물에서 유래한 네이세리아 고노르호에아 CA(ngCA)를 사용하였다. ngCA를 코리네박테리아 표면에 도입하기 위해, 먼저 단백질을 코딩하는 DNA 서열을 코리네박테리아에 맞게 최적화하였다. 또한, 세포 채널 단백질인 포린(porin) 류 중에서 탄산무수화효소를 가장 효과적으로 표면에 표지할 수 있는 단백질을 찾았는데, porinB였다. 세포 채널 단백질과 효소 사이에는 더 높은 발현률과 더 좋은 활성을 위해 짧은 단백질 서열이 추가로 도입되었다. 이렇게 완성된 전세포효소(whole-cell catalyst) 표면에 있는 ngCA는 공초점 현미경(confocal microscopy)과 투과전자현미경(TEM) 관찰로 확인하였다.
이 전세포효소의 촉매 활성은 수화 기법(Hydration assay)로 측정되었는데, 기존에 제시된 전세포효소 중 가장 높은 활성과 비슷했다. 이 효소의 열적 안정성을 확인하고자 여러 온도에서 열처리한 후 활성을 측정하여 그 감소의 정도를 분석하였다. 그 결과 상업적으로 판매하는 CA는 섭씨 60도에서 24시간 열처리한 후에 거의 활성이 없는 반면 (~1 %), 해당 전세포효소는 60 %의 활성을 보유하고 있다는 것을 확인하였다. 특히, 기존에 주로 제시된 대장균 기반의 전세포효소보다도 안정적이었다. CA는 안정적으로 이산화탄소의 수화를 진행함으로써, 효과적으로 광물화까지 빠르게 진행될 수 있도록 촉매 역할을 했다. 효소의 존재 하에서 광물화를 진행한 결과 효소가 없을 때보다 두 배 더 많은 침전이 형성되었는데, 이는 탄산칼슘의 형성에 불리한 중성 조건의 pH에도 불구하고, 효소가 이산화탄소를 효과적으로 수화함으로써 광물화가 잘 이루어졌다는 증거다.
본 연구의 전세포효소는 탄산무수화효소를 효과적으로 안정화함으로써 이산화탄소 포집 산업에 적극적으로 활용할 수 있을 것이라 기대된다. 또한, 다양한 효소를 표지하는 안정적인 담지체로서 코리네박테리아의 가능성을 확인함으로써, 이후 여러 분야에 응용할 수 있을 것이다.
