Research to convert $CO_2$ to methanol using enzymes is a meaningful study from the two viewpoints of solving environmental pollution problems and producing useful chemicals. Nevertheless, there are limitations that the reducing activity of the enzymes is very low and the efficiency of three continuous enzymatic reactions is also not enough for industrial application. In this article, we measured the oxidation and reduction activity of enzymes obtained from various sources and determined appropriate candidates for the consecutive reaction. Then through mutant screening and in silico design method, we obtained mutants that reduction activity is increased or oxidation activity is decreased. Next, protein scaffold SNARE system was introduced to increase the efficiency of the continuous enzyme reaction and methanol production. SNARE fused WT enzymes increased the production of methanol 4.6 times more than free enzymes. Also, SNARE fused mutant enzymes with improved reduction activity and SNARE fused mutant enzymes without oxidation activity increased 13.5 and 15.8 times more than free enzymes, respectively. We developed in vivo screening systems for mutant screening and obtained reductivity improved enzymes using the systems. Also, we introduced SNARE module to protein scaffold system at the first time. They can be useful background for artificial photosynthesis research which produces methanol using $CO_2$.
효소를 이용하여 이산화탄소를 메탄올로 전환 시키는 연구는 온실 가스를 줄이면서 동시에 대체 연료를 생산 할 수 있다는 두 가지 관점에서 의미 있는 연구이다. 하지만, 사용되는 각 효소의 환원 활성이 낮은 문제와, 연속적인 효소 반응이 일어날 때 시스템의 효율이 낮아서 메탄올 생산 양이 적은 문제는 여전히 해결 해야 하는 과제이다. 이 연구에서, 우리는 다양한 생물 종으로부터 효소를 얻고 산화, 환원 활성을 측정하여 활성을 개량하기 적당한 후보를 정했다. 그리고 돌연변이 스크리닝과 구조 기반 돌연변이 설계 방법을 통해서 환원 활성이 증가되고, 산화 활성이 감소된 효소들을 얻었다. 그 다음 메탄올 생산 양을 증가 시키기 위해 스네어 단백질 스케폴드 시스템을 도입하여, 연속 반응의 효율을 증가 시켰다. 야생형 효소를 이 시스템에 적용시키면 대조 군을 반응 시킨 것보다 4.6배 메탄올 생산 양이 증가 하고, 환원 활성이 증가된 돌연변이 효소 군이 도입되면 13.5배 증가 한다. 또한 산화 활성이 억제된 돌연변이 효소 군이 도입되면 15.8배 증가 한다. 환원 활성이 증가된 효소를 스크리닝 하기 위해 개발된 시스템과 그것을 통해 얻은 효소들, 스네어 단백질 스케폴드 시스템은 이산화탄소를 이용하여 메탄올을 생산하는 인공광합성 연구의 산업적 활용에 도움을 줄 수 있을 것이라고 생각한다.
