일반 설탕이나 자당을 대체할 건강하고 저렴한 대안을 찾는 데 있어 가장 큰 장애물 중 하나는 그것을 만드는 능력입니다. 그러한 대안 중 하나가 알룰로스인데, 이는 자당만큼 당도가 약 70%이지만 칼로리는 10%에 불과하며 제2형 당뇨병 환자의 혈당 수치를 개선하고 체중 감소에 도움이 되는 것으로 나타났습니다. 그러나 현재의 생산 방식은 수율이 낮고 품질이 좋지 않아 개발에 방해가 되는 것으로 알려져 있습니다.
이제 캘리포니아 대학교 데이비스(UCDavis)의 과학자들은 고품질 수율을 제공하고 실행 가능하고 확장 가능한 방법을 사용하여 알룰로스 생산에서 "중요한 돌파구"를 만들어 실행 가능하고 건강한 설탕 대안으로 만들었습니다. 이 방법은 또한 현재의 셀룰로오스 조달 방식을 다시 작성하고 상업적 생산을 빠르게 촉진할 수 있습니다.
"셀룰로오스는 훌륭한 설탕 대체품이지만 이를 생산할 수 있는 비용 효율적인 방법은 아직 없습니다"라고 데이비스 캘리포니아 대학의 화학 교수인 쇼타 아츠미(Shota Atsumi)는 말했습니다. "우리의 새로운 방법은 효율적이고 비용 효율적이며 상업적 생산을 위해 규모를 확장할 수 있습니다."
알룰로스(D-현미설탕이라고도 함)는 밀, 무화과, 건포도와 같은 소수의 식물성 식품에서만 미량으로 자연적으로 발생하기 때문에 희귀 설탕으로 간주됩니다. 일단 추출되면 자당 1g당 4칼로리에 비해 0.4칼로리로 자당의 질감과 맛을 갖습니다. 이는 단일 설탕 분자인 단당류이기 때문에 인체에서 매우 다른 과정을 거칩니다. 약 70%는 소장에서 흡수되어 24시간 이내에 소변으로 배설됩니다. 나머지는 약 48시간 후에 대장의 풍경 경로를 통해 배설됩니다. 따라서 알룰로스는 혈당이나 인슐린 수치에 영향을 미치지 않습니다.
현재 사이코스를 추출하고 과당으로부터 전환을 촉매하는 데 DTEase(D-tagatose-3-epimerase) 효소와 DPEase(D-psicose-3-epimerase) 효소가 사용되지만, 이 공정의 한계로 인해 수율은 최대 50%에 불과하고 순도도 매우 낮습니다.
UC Davis의 과학자들은 이러한 효소의 생산을 늘리려고 노력하는 대신 설탕을 완전히 생산하는 다른 방법을 찾는 데 눈을 돌렸습니다. 그들은 일반적인 장내 세균인 대장균(E. coli)에서 이 방법을 발견했습니다.
화성 고등 연구소(Mars Advanced Research Institute)와 협력하는 연구팀은 미생물의 대사 과정을 편집하여 세포에 포도당을 공급하면 이를 사이코스로 전환했습니다. 그 결과, 수율은 즉시 62%에 도달했습니다(중요한 것은 순도가 95%를 초과했다는 것입니다).
Atsumi는 “일단 플럭스의 방향이 바뀌면 세포가 필요한 모든 것을 갖추고 있다는 것을 알게 됩니다. 단지 켜기만 하면 되고 필요하지 않은 경로는 꺼지게 됩니다.”라고 Atsumi는 말했습니다.
기본적으로 대장균은 자연적으로 포도당에서 오리노스를 생산하는 올바른 경로를 가지고 있으며, 과학자들은 스위치를 특정 대사 결과로 전환하기 위해 설계를 수정했습니다. 이 새로운 방법은 사이코스를 생산할 뿐만 아니라 지속 가능하고 비용 효율적이므로 기존 인프라와 생화학 기술을 사용하여 생산 규모를 확대할 수 있습니다.
연구진은 논문에서 "전세포 촉매작용 기술과 인프라는 이미 산업적으로 확립되어 있으며 모델 유기체인 대장균에 상업적인 식품 생산과 경쟁하지 않는 공급원료를 제공할 수 있다"고 지적했습니다. "희귀당을 일괄 생산할 수 있는 능력은 초가공 식품에 대한 저칼로리 설탕 대체품을 제공하여 전 세계적으로 증가하는 비만율을 해결하는 데 도움이 될 것입니다. 또한 희귀당의 생산 증가는 농업 산업에 지속 가능한 살충제를 제공하고 제약 산업에 의학적 가치가 있는 단순당을 제공할 것입니다."
그리고 변형된 대장균은 공급된 포도당을 모두 먹어치우기 때문에 순도를 향상시키기 위한 후속 작업이 거의 필요하지 않으며 이는 현재 생산 방법의 또 다른 번거로움을 해결합니다.
이 연구는 Nature's Science of Food 저널에 게재되었습니다.