KR20160026828A

KR20160026828A - 탄소 함유 물질의 생물 전환 공정

Info

Publication number: KR20160026828A
Application number: KR1020157026958A
Authority: KR
Inventors: 제이 엠 쇼트; 로버트 바텍
Original assignee: 시리스 에너지 인코포레이티드
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2016-03-09
Also published as: AU2014236813A1; SG11201507457SA; TW201500551A; WO2014151864A1; ZA201506731B; MX2015013116A; EP2971015A1; US20160017398A1; CA2907211A1; EA201591769A1; AR095337A1; AP2015008757A0; JP2016512038A

Abstract

탄소 함유 물질 내의 적어도 하나의 성분을 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 상이한 생성물로 전환시키는 미생물 군집 관여 공정. 상기 공정에서, 미생물 군집은 상기 미생물 군집 내의 적어도 하나의 미생물 종의 상대적인 수를 증가 또는 감소시키는 조성물과 접촉되어 상기 공정의 수율이나 선택도를 향상시키고 또는 공정의 속도를 변경한다. 상기 조성물은 상기 적어도 하나의 미생물 종의 세포내 경로에 영향을 끼치는 조성물, 상기 적어도 하나의 미생물 종이 관여하는 세포내 신호전달 경로에 영향을 끼치는 조성물 및 안티센스 RNA로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 미생물 군집은 음파 또는 전자기 신호와 같은 신호에 노출될 수 있거나 상기 미생물 군집의 환경 조건이 변경될 수 있다.

Description

탄소 함유 물질의 생물 전환 공정 {PROCESSES FOR BIOCONVERSION OF CARBON BEARING MATERIALS}

본 발명은 지질 형성물의 탄소 함유 물질의 생물 전환에 관한 것이다. 더 상세하게는 본 발명은 탄소 함유 물질에 물질을 도입하여 생물전환 공정의 하나 또는 그 이상의 관점들을 향상시키는 것에 관한 것이다

점증하는 세계의 에너지 수요로 인하여 에너지 자원의 회수, 이러한 자원의 이용에 의한 환경적 영향을 줄이기 위한 전례 없는 도전이 진행되고 있다. 역사상, 옛 유전 및 탄광과 같은 지하 형성물들은, 일단 용이하게 회수될 수 있는 물질들이 추출된 후 버려졌다. 이러한 버려진 저장 장소들은, 그러나, 여전히 상당한 양의 탄소 함유 물질을 포함하고 있다. 예를 들어, 와이오밍 주 북동부에 있는 파우더 리버 베이신 (Powder River Basin)은 여전히 약 1조3천억 톤 미만 정도의 석탄 매장량이 추정되고 있다. 베이신의 잔류 석탄의 단 1 %만이라도 천연가스로 전환되면 다음 4 년 동안의 미국의 현재 연간 천연 가스 필요량 (즉, 약 23 조 입방 피트)를 공급할 수 있다. 이러한 수준의 몇 개의 다른 폐광 및 폐유전들이 미국에 존재한다.

탄소 함유 지하 형성물에는 토착성 미생물들이 있는 데, 이들은 탄소 함유 물질들을 형성되는 석탄보다 더 쉽게 회수할 수 있는 메탄, 다른 가스성 또는 액체 탄화수소물 또는 다른 가치 있는 생성물과 같은 저 분자량 탄화수소물들로 자연적으로 전환시킨다. 상기 미생물들은 상기 지하 형성물에서 통상 군집 (consortium), 말하자면 서로 의지하거나 상호작용할 수 있는 미생물들의 여러 종들의 혼합물로서 존재한다. 상기 잔류 탄소 함유 물질을 이용하는 하나의 잠재적인 실천적 방법은 지하 형성물의 미생물들을 자극하여 거기에 있는 탄소 함유 물질들을 더 효과적으로 대사시켜 메탄과 같은 화합물을 생성하는 것이다. 이러한 목적으로 몇 가지 방법들이 개발되었다.

어떤 방법들은 탄소 함유 물질을 처리하기 위한 세균의 특정 종 또는 배양물을 도입하는 것을 포함한다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,854,032호는 호열호기성 배양체 ATCC 202096를 석탄에 도입하여 석탄을 휴민산으로 전환시킨다.

미국 특허 제8,092,559호는 메탄의 미생물 생산을 향상시키는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 현장내 (in situ) 탄화수소가 풍부한 매장물에 대한 적어도 하나의 환경적 매개변수를 특징화하고, 수용액을 그 지질 형성물에 위치한 탄화수소가 풍부한 매장물로 수용액을 도입하여 수용액이 미생물 군집을 자극시켜 상기 현장 내 매장물로부터 메탄의 생성율을 증가시키고, 메탄을 포함하는 가스 혼합물을 수집하는 단계를 포함한다.

미국 특허 제 8,176,978호는 메탄, 이산화탄소, 가스성 및 액체 탄화수소류, 및 지하 탄소 함유 형성물로부터 나온 다른 생성물의 인 사이튜 생성 방법을 개시한다. 상기 방법은 적어도 하나의 주입정에서 탄소 함유 매장물로 유체를 주입하고 적어도 하나의 생산정을 통해 상기 매장물로부터 주입된 유체와 생산물을 제거하는 것을 포함한다. 상기 매장물의 적어도 일부분 내에서의 유체 압력은 주입된 유체를 사용하여 조절하여 그 유체 압력이 상기 매장물의 일부에서 정상적으로 존재하는 유체 압력을 초과하게 한다.

WO 2011/142809는 예를 들어, 메탄생성균류(methanogens) 및 다른 세균들을 위시한 지질 형성물의 미생물 군집들과 같은 미생물 군집들을 자극하여 석탄 또는 다른 탄소질 물질로부터 메탄과 다른 탄화수소 생성물, 연료 또는 연료 전구체들을 생성하는 방법을 개시하는 것으로서, 상기 군집들은 전기 자극에 물리적이나 화학적으로 반응한다. 전기적 에너지를 상기 탄소질 형성물에 도입하여 미생물 또는 미생물 군집의 성장을 자극하고 형성된 생성물을 상기 형성물로부터 회수한다.

미국 특허 공개 번호 제2010/0035309호는 탄화수소를 포함하는 형성물로부터 수소-탄소 함유 유체를 생물기원적 생성 방법을 개시하는 것으로, 혐기성 미생물 군집을 하나 이상의 효소를 함유하는 지질적 형성물에 제공하여 화학관능기를 출발 방향족 탄화수소에 첨가함으로써 출발 방향족 탄화수소를 활성화시키고, 상기 활성화된 방향족 탄화수소를 하나 이상의 중간체 탄화수소류를 통해 수소-탄소 함유 유체로 전환시키고 및 상기 수소-탄소 함유 유체를 상기 형성물로부터 회수하는 단계를 포함한다.

미국 특허 제 7,977,056호는 탄화수소-함유 형성물에서 메탄의 생물기원적 생산을 증가시키는 자극체를 동정하는 방법을 개시한다. 상기 방법은 상기 형성물로부터 유도된 미생물로부터 핵산 서열을 수득하고, 상기 핵산 서열의 유전자 생성물 유전자 생성물이 탄화수소를 메탄으로 전환시키는 데 관여하는 계통의 효소인 존재라는 것을 결정하고, 부재시의 메탄 생성에 비해, 상기 형성물에 있는 미생물로 공급될 때 메탄 생성을 증가시키는 자극체로서 작용하는 효소의 기질, 반응물이나 조효소를 동정하는 것을 포함한다.

미국 특허 제7,832,475호는 메탄 생성을 향상시키는 방법을 설명하는 것으로서, 적어도 두 개 미생물 군들을 가지는 형성물을 제공하고, 상기 형성물에 적어도 하나의 무차별적 미생물 군 자극 보충제를 도입하고, 상기 자극 보충제를 미생물적으로 소비하고, 상기 자극 보충제를 미생물적으로 고갈시키고, 적어도 두 개의 증폭된 미생물 군들 중 적어도 하나에 영양공급을 중단하고, 상기 영양공급 중단된 미생물 군을 선택적으로 감소시키고, 상기 적어도 하나의 증폭된 미생물 군을 선택적으로 유지시키고, 상기 증폭된 미생물 군으로부터 메탄을 발생시키고, 상기 메탄을 수집하는 것을 포함한다.

탄소 함유 물질을 탄화수소 생성물로 전화시키는 공정의 수율, 선택도 및/또는 속도를 잠재적으로 향상시키려고 모색하는 대안적 방법들이 개발되어 있다.

본 발명은 탄소 함유 물질들을 메탄과 같은 하나 이상의 탄화수소류로 전화시키는 대안적인 방법들을 개시하고 있는 바, 그 공정의 수율, 선택도 및/또는 속도를 잠재적으로 증가시키거나 또는 그 공정의 실행에 다른 장점을 제공하는 것을 목적으로 한다.

제1 관점에서, 본 발명은 탄소 함유 물질 내의 적어도 하나의 성분을 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 상이한 생성물로 전환하는 미생물 군집이 관여된 공정에 관한 것이다. 상기 공정에서, 미생물 군집은 이 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을, 그 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시키는 조성물과 접촉되어 상기 조성물의 부재시에 수행되는 동일한 공정에 비해, 공정의 수율이나 선택도를 향상시키거나 공정의 속도를 변화시키고자 하는 것으로, 상기 조성물은 상기 적어도 하나의 미생물 종의 세포내 경로에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 끼치는 조성물 및 상기 적어도 하나의 미생물 종이 관여하는 세포내 신호전달 경로에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 끼치는 조성물로부터 선택된다.

다른 관점에서, 본 발명은 탄소 함유 물질 내의 적어도 하나의 성분을 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 상이한 생성물로 전환시키는 미생물 군집이 관여된 공정에 관한 것이다. 산소 조건 또는 온도, 압력 및 상기 미생물 군집의 생리적 상태와 같은 다른 물질적 조건과 같이, 상기 미생물 군집의 환경 조건을 변경(예를 들어, 제한)하되, 그 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시키는 방식으로 하여 상기 조성물의 부재시에 수행되는 동일한 공정에 비해, 공정의 수율이나 선택도를 향상시키거나 공정의 속도를 변화시키고자 하는 것이다.

다른 관점에서, 본 발명의 미생물 군집은 이 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을, 그 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시키는 물리적 신호와 접촉되어 상기 물리적 신호의 부재시에 수행되는 동일한 공정에 비해, 공정의 수율이나 선택도를 향상시키거나 공정의 속도를 변화시키고자 하는 것으로, 상기 물리적 신호는 음파 및 전자기파로부터 선택된다.

다른 관점에서, 본 발명은 탄소 함유 물질 내의 적어도 하나의 성분을 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 상이한 생성물로 전환하는 미생물 군집이 관여된 공정에 관한 것이다. 상기 미생물 군집은 이 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을 그 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시키는, 핵산류 및 폴리펩타이드류를 타겟하는 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드, 안티센스 RNA, 안티센스 RNA을 모사하고 있는 핵산 유사체 또는 마이크로-RNA 와 같은 적어도 하나의 생체분자를 포함하는 조성물과 접촉되어 상기 조성물의 부재시에 수행되는 동일한 공정에 비해, 공정의 수율이나 선택도를 향상시키거나 공정의 속도를 변화시킨다.

예증적 목적을 위해 본 발명의 원리는 다양한 구체예를 참조함으로써 설명되어 진다. 비록 본 발명의 특정 구체예가 특정적으로 설명되어 있다 하더라도, 당해 분야의 통상의 기술자는 동일한 원리들이 다른 시스템들 및 방법들에 균등하게 적용될 수 있고 그것에 사용될 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 본 발명의 개시된 구체예를 상세히 설명하기 전, 본 발명은 그 적용에 있어서, 제시된 임의의 특정 구체예의 상세에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 설명하기 위한 것으로 제한하기 위한 것이 아니다. 더욱이, 특정 방법들이 본 발명에서 특정 순서로 제시된 단계들을 참조하여 설명되어 있지만, 많은 경우 이러한 단계들은 당해 분야의 숙련자들에게서 이해될 수 있는 바와 같이 임의의 순서로 실행될 수 있다; 따라서, 신규 방법은 본 명세서에서 개시된 단계들의 특정 배열에 한정되지 않는다.

본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수형의 표현 "하나" "일" 및 "상기"는 그 문맥이 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 복수형도 포함하는 것으로 인식되어야 한다. 또한, 용어 "일" (또는 "하나"), "하나 이상" 및 "적어도 하나의"는 본 명세서에서 상호교환적으로 사용될 수 있다. 용어 "포함하는", "위시하는", "가지는" 및 "으로 만들으진"은 또한 상호교환적으로 사용될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 바와 같이, 용어 "탄소 함유 물질"은 지하 형성물에 존재하는 임의의 고 탄소 함량 물질을 포함한다. 탄소 함유 물질의 예는, 유혈암 (oil shale), 석탄, 탄층, 폐 석탄, 석탄 유도체, 갈탄, 토탄, 오일 형성물, 타르 샌드, 탄화수소-오염 토양, 석유 슬러지, 시추 분쇄물 등을 포함하나 이에 한정되지 않고, 유혈암, 석탄, 탄층, 폐 석탄, 석탄 유도체, 갈탄, 토탄, 역청 (bitumen), 오일 형성물, 타르 샌드, 탄화수소-오염 토양, 석유 슬러지, 시추 분쇄물 등에 더하여 그러한 환경 또는 심지어 주변을 포함할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 바와 같이, "석탄"은 갈탄에서 무연탄에 이르는 일련의 탄소질 연료 중 임의의 것을 지칭한다. 이러한 일련의 연료들의 구성원들은 그들이 함유하고 있는 수분, 휘발성 물질 및 고정 탄소의 상대적인 양에서 서로 상이하다. 석탄은 대부분 탄소, 수소 및 내포 수분으로 구성되며, 주로 많은 이중 탄소 결합을 가진 큰 분자의 형태로 있다. 약연탄 (low rank coal) 매장물들은 대부분 석탄과 물로 구성되어 있다. 석탄과 같은 탄소질 분자 또는 석탄 분자의 가용화로부터 유도된 탄소질 분자를 연소시킴으로 에너지를 유도할 수 있다. 대부분의 유용한 석탄은 최대량의 고정 탄소 및 최소량의 수분과 휘발물질을 함유하는 석탄을 포함한다.

본 발명에서 사용되는 바와 같이, 용어 "미생물"은 세균, 고세균 및 진균을 포함한다. 상기 미생물들은 상기 탄소 함유 물질들에 원래 있던 것이거나 외부에서 온 것이다. 상기 미생물들은, 예를 들어: 아르카에오글로발레스 (Archaeoglobales), 테르모토갈레스 (Thermotogales), 사이토파가 (Cytophaga) 군, 아조스피릴룸 (Azospirillum) 군, 파라코커스 (Paracoccus) 아군, 스핑고모나스 (Sphingomonas) 군, 니트로소모나스 (Nitrosomonas) 군, 아조아르커스 (Azoarcus) 군, 아시도보락스 (Acidovorax) 아군, 옥살로박터 (Oxalobacter) 군, 티오바실러스 (Thiobacillus) 군, 크산토모나스 (Xanthomonas) 군, 오세아노스필륨 (Oceanospirillum) 군, 슈도모나스와 그 친족, 마리노박터 하이드로카보노클라티커스 (Marinobacter hydrocarbonoclaticus) 군, 슈도알테로모나스 (Pseudoalteromonas) 군, 비브리오 아군, 에어로모나스 군, 데설포비브리오 (Desulfovibrio) 군, 데설퓨로모나스 (Desulfuromonas) 군, 데설포불부스 (Desulfobulbus) 집단, 캄필로박터 (Campylobacter) 군, 아이디미크로비움 (Acidimicrobium) 군, 프란키아 (Frankia) 아군, 아트로박터 (Arthrobacter)와 그 친족, 노카르디오데스 (Nocardiodes) 아군, 테르모아나에로박터 (Thermoanaerobacter)와 친족, 바실러스 메가테리움 (Bacillus megaterium) 군, 카르노박테리움 (Carnobacterium) 군, 클로스트리듐 (Clostridium)과 그 친족, 및 메타노박테리알레스 (Methanobacteriales), 메탄노미크로박테리아 (Methanomicrobacteria)와 그 친족, 메타노피랄레스 (Methanopyrales) 및 메타노코칼레스 (Methanococcales)와 같은 고세균을 포함할 수 있다.

미생물들의 특정 예는, 예를 들어, 에어로박터, 에어로모나스, 알칼리제네스 (Alcaligenes), 바실러스, 박체로이데스 (Bacteroides), 클로스트리듐, 에스체리키아, 클렙시엘라, 렙토스피라, 미크로코퍼스, 나이제리아 (Neisseria), 파라콜로박테리움 (Paracolobacterium), 프로테우스 (Proteus), 슈도모나스, 로돕슈도모나스, 사르시나 (Sarcina), 세라티아 (Serratia), 스트렙토코커스와 스트렙토마이세스, 메타노박테리움 오멜리안스키 (Methanobacterium omelianskii), Mb. 포르미시움 (Formicium), Mb. 손제니 (Sohngenii), 메타노사르시나 바르케리 (Methanosarcina barkeri), Ms. 메타니카 (Methanica), Mc. 마세이 (Masei), 메타노박테리움 테르모오토트리피컴 (thermoautotrophicum), 메타노박테리움 브리안티 (bryantii), 메탄노브레비박터 스미티 (Methanobrevibacter smithii), 메타노브레비박터 아르보리필러스 (arboriphilus), 메타노브레비박터 루미난티움 (ruminantium), 메탄노스피릴륨 훈가테이 (Methanospirillum hungatei), 메타노코커스 바니엘리 (Methanococcus vannielli), 메타노트릭스 소엔제니 (Methanothrix soehngenii), 메타노트릭스 종, 메타노사르시나 마제이 (Methanosarcina mazei), 메타노사르시나 테르모필라 (thermophila), 메타노박테리아세아에 (Methanobacteriaceae), 메타노사르시나세아에 (Methanosarcinaceae), 메타노사에타세아에 (Methanosaetaceae), 메타노코르푸스컬라세아에 (Methanocorpusculaceae), 메타노미크로비아세아에 (Methaanomicrobiaceae), 다른 고세균 및 이의 조합을 포함한다.

본 발명에서 사용되는 바와 같이, 용어 "미생물 군집"은 둘 이상의 미생물 종이나 균주를 포함하는 미생물 집단을 위시한 탄소 함유 물질 내의 미생물들을 지칭하는 것으로, 특히 각 종 및 균주는 다른 것(들)과의 상호작용으로부터 유익을 얻는 것을 지칭한다. 상기 미생물 군집에서의 종이나 균주는 상기 탄소 함유 물질에 토착된 것일 수 있거나 상기 탄소 함유 물질에 외생적인 (외부로부터 상기 탄소 함유 물질에 도입된) 것일 수 있다.

본 발명에서 사용되는 바와 같이, 용어 "생물전환" 또는 "전환"은 탄소 함유 물질을 상기 탄소 함유 물질 내의 미생물 군집에 의해서, 메탄 및 다른 유용한 가스 및 액체 성분을 포함하는 생성물로 전환하는 것을 지칭한다. 용어 "생성물"은 석탄과 같은 탄소 함유 물질로부터, 생물전환에 의해 수득된 조성물을 지칭한다. 상기 생성물은 예를 들어, 메탄, 세탄, 부탄 및 다른 작은 유기물은 물론 지방산과 같은 탄화수소류와 같이 연료로서 유용하거나 연료 생성에 유용한 유기물은 물론 수소 및 이산화탄소를 위시한 가스와 같은 무기물질을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

상기 전환 공정은 각각 하나 이상의 미생물들이 관여하는 다중 반응 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전환 공정에 관여하는 미생물들은 상기 전환 공정에 관여하는 다른 미생물 또는 상기 전환 공정에 간접적으로 관여할 수 있는 미생물 군집 내의 다른 미생물들과 상호작용할 수 있다. 상기 전환 공정으로의 간접적 관여는 조건을 변경함으로써, 예를 들어, 독소, 음식 요소, 반응물의 존재를 증가하거나 감소시킴으로써, 또는 물리적 매개 변수를 변경함으로써, 예를 들어, 산소 농도를 증가시키거나 상기 군집을 음파나 전자 전류에 노출시킴으로써, 상기 전환 공정에 직접적으로 연관된 미생물과의 영양분이나 반응물에 대한 경쟁, 상기 전환 공정에 간접적으로 연관된 미생물의 촉진이나 저해 및/또는 상기 미생물 군집이 작동하는 환경에 대한 영향을 야기할 수 있다. 다른 관점에서, 본 발명은 퀘럼 센싱 (quorum sensing) 기작을 조작하거나 변경함으로써 미생물 중의 신호전달에 영향을 끼치는 데 사용될 수 있다.

본 발명은 적어도 특정 탄소 함유 물질을 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 생성물로 전환시키는 방법을 제공한다. 일 관점에서, 상기 방법은 탄소 함유 물질에 조성물을 도입하여 그 속에 있는 미생물이나 미생물 군집과 상호작용하게 하는 단계를 포함한다.

일 관점에서, 상기 탄소 함유 물질에 도입된 조성물은 적어도 하나의 미생물 종의 수의 증가 또는 감소를 야기할 수 있다. 적어도 하나의 미생물 종의 수의 증가 또는 감소는 적어도 다른 미생물 종의 수에, 양 쪽 미생물들이 존재하는 미생물 군집 내에서 상대적으로 정해질 수 있거나 또는 상기 탄소 함유 물질에 상기 조성물을 도입하기 전과 후의 그 미생물의 수를 비교함으로써 절대적 기준상에서 정해질 수 있다.

적어도 하나의 미생물 종의 수를 조정하여, 탄소 함유 물질을 탄화수소 생성물로 전환하는 공정의 수율, 선택도를 향상시키거나 반응 속도를 변경할 수 있다. 이것은 상기 조성물을 그에 도입하지 않고 동일한 탄소 함유 형성물에서 수행된 동일한 공정과 비교하여 결정될 수 있다.

적어도 하나의 종의 수를 조정하는 것은 상기 전환 공정의 속도 결정 단계에 관여된 특정 미생물의 수를 향상시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 미생물은 그 수를 증가시킴으로써, 그 영양분에 대하여 경쟁하는 및/또는 상기 전환 공정에 참여하는 미생물에 의해 사용되는 하나 이상의 반응물에 대하여 경쟁하는 미생물의 수를 감소시킴으로써 향상될 수 있다. 상기 미생물과의 경쟁을 감소시킴으로써, 상기 미생물의 수는 증가될 수 있거나 및/또는 동일한 수의 미생물이 영양분 및/또는 필요한 반응물로의 접근이 향상되어 수율을 증가시킬 수 있다.

다른 구체예에서, 상기 군집에서 영양분을 증가시키고, 독소의 농도를 감소시키고, 유리한 미생물을 촉진하고 및/또는 경쟁 미생물을 저해하기 위해 조성물을 도입할 수 있다. 따라서, 일 구체예에서, 특정 영양분 성분은 상기 군집에서 특정 미생물에 적합한 것으로 확인될 수 있고, 그러한 영양분의 공급은 상기 조성물에 의해 증가될 수 있다. 예를 들어, 상기 조성물은 동일한 영양분에 의존하는 경쟁 미생물을 저해할 수 있다. 대안적으로, 상기 조성물은 상기 영양분을 공급하는 미생물의 성장을 촉진할 수 있다.

다른 관점에서, 상기 군집에서의 특정 미생물의 활성에 유해하거나 저해하는 특정 독소 또는 항생제가 동정될 수 있고, 상기 도입된 조성물은 탄소 함유 물질 내에서의 독소 또는 항생제의 농도를 감소시키는 것을 지향하는 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 독소 또는 항생제에 결합하거나 반응하는 물질은 이러한 목적에 유용할 수 있다. 또한, 상기 독소를 흡수하거나 중성화하는 물질이 유용할 수 있다.

다른 관점에서, 도입된 조성물은 유리한 미생물의 수 및/또는 활성을 촉진하는 데 사용될 수 있다. 일 구체예에서, 바람직하지 못한 독소를 소비하는 미생물의 수 및/또는 활성을 향상시키는 성분이 도입될 수 있다. 다른 관점에서, 상기 조성물은 상기 공정의 바람직하지 않은 부산물을 바람직한 최종 산물 및 상기 탄소 함유 물질 전환 공정에서 반응물로 유용한 생성물 중 하나 또는 양쪽 다로 전환시키는 미생물의 수 및/또는 활성을 촉진하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 바람직하지 않은 부산물들은 바람직한 최종 산물로 전환될 수 있거나 상기 탄소 함유 물질 전환 공정으로 재순환되어 바람직한 최종 산물로 전환될 수 있다.

다른 관점에서, 도입된 상기 조성물은 불리한 미생물의 수나 활성을 저해하는 데 사용될 수 있다. 그러한 불리한 미생물은 바람직하지 않은 부산물의 생성을 촉진하는 미생물이다. 그러한 불리한 미생물은 바람직한 미생물의 수 및/또는 활성을 저해하는 것이거나 황화 수소와 같은 바람직하지 않은 독소를 생성하는 미생물일 수 있다.

탄소 함유 물질을 생성물로 전환하는 것은, 현지 (in situ)에서, 예, 상기 탄소 함유 물질이 천연적으로 존재하는 지질적 또는 지하 형성물에서 수행될 수 있다. 상기 전환은 또한 현지외 (ex situ), 예, 상기 탄소 함유 물질이 천연적으로 존재하는 장소 이외의 곳에서 수행될 수 있다. 현지외 전환은 생물반응기, 엑스 사이튜 반응기, 채취장, 지상 구조물 등과 같은 장소에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 함유 물질을 먼저 그것이 천연적으로 존재하는 곳으로부터 제거된 후, 본 발명의 방법으로 처리할 수 있다. 비제한적 예로서, 생물반응기는 생물학적 활성 환경을 지지하는 임의의 장치나 시스템을 지칭한다.

상기 방법의 일 관점에서, 상기 조성물은 임의의 적절한 방법에 의해 상기 탄소 함유 물질로 도입될 수 있다. 일 구체예에서, 상기 조성물은 상기 탄소 함유 물질에 유체로서 도입될 수 있다. 유체들은 상기 탄소 함유 물질로 주입함으로써 도입될 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 조성물은 고형 형태일 수 있고 상기 탄소 함유 물질 근처에 위치할 수 있어서 여기서 유체가 상기 조성물을 상기 탄소 함유 물질로 용해 및/또는 분배할 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 조성물은 에어로졸로서 운반될 수 있고 상기 조성물을 불어서 상기 탄소 함유 물질과 접촉되게 도입할 수 있다. 본 발명의 조성물들을 상기 탄소 함유 물질로 도입하는 데 사용될 수 있는 적절한 방법들은, 예를 들어, 미국 특허 번호 2010/000732, 2010/032157, 2012/043084 및 2012/0199492에 기재된 것일 수 있고, 그 내용은 참조하는 것으로써 본 발명에 병합된다.

유동 속도를 조절하여 도입된 조성물물들의 농도 또는 존재하는 신호 분자에 영향을 끼치거나 또는 미생물 군집 또는 미생물 군집의 환경 조건에 전달되는 물리적 신호를 변경할 수 있다. 예를 들어, 유체 유동 속도 (또는 이동)을 변경하여, 신호 분자의 농도를 직접적으로 또는 간접적으로 변경할 수 있다. 특히, 조성물(들) 또는 물리적 신호(들)를 석탄에 전달하는 충만한 저장소, 및 상기 생성물을 회수하는 회수 저장소 (동일한 장소 또는 상이한 장소에서)를 포함하는 설비에서 그러하다. 영양분을 포함하는 조성물, 또는 다른 조성물들을 바람직한 농도로 전달할 수 있고, 펌핑 공정, 유체 이동 및 정재되어 있는 유체(들) 희석액들을 개질하여 조성물이나 신호 분자 농도를 그 장소 (in situ)에서 더 변경할 수 있다. 유체 및 유체 희석액들은 현지외 장소에서 설계할 수 있다. 일단 원하는 농도가 도달하면, 생성물을 생성하고 회수할 수 있다.

상기 탄소 함유 물질 내의 미생물(들) 및/또는 미생물 군집은 전적으로 내재적인 것일 수 있어서, 상기 탄소 함유 물질내의 모든 미생물 종이 천연적으로 그 속에 존재하거나, 또는 특정 구체예에서, 상기 탄소 함유 물질 내의 미생물(들) 및/또는 군집은 적어도 하나의 외생 종 또는 수적으로 외생 미생물로 보충된 적어도 하나의 종을 포함할 수 있다.

상기 탄소 함유 물질 내의 미생물(들) 및/또는 군집은 탄소 함유 물질을 탄화수소 생성물로의 전환에 대한 일 면을 담당하고, 이는 일반적으로 다양한 미생물들의 활성에 의해 영향을 받는 열화학적 공정을 통해 생겨난다. 상기 미생물 군집내의 복수의 상이한 종들은 상기 전환 공정에 역할을 하고 및/또는 공헌을 할 수 있다. 또한, 각 개별 종은 상이한 종 간의 상호작용에 영향을 끼치거나 상기 미생물 군집에서의 그 종의 수 및/또는 유효성을 변경하는 방식으로 하나 이상의 종에 영향을 끼칠 수 있다.

예를 들어, 특정 미생물 군집에서, 하나 이상의 미생물 공정은 상기 전환 공정의 수율 또는 선택도를 향상시킬 수 있다. 이러한 향상은 몇 가지 상이한 방식 중 하나 이상으로 초래될 수 있다. 예를 들어, 일 구체예에서, 특정 미생물은 상기 전환 공정의 속도 결정 단계와 연관되고 이러한 미생물의 수를 증가시키는 것은 상기 속도 결정 단계로부터 수율을 증가 시키게 되어, 상기 전환 공정의 전체적인 수율, 속도 및/또는 선택도를 증가시키게 된다. 대안적으로, 바람직하지 않은 부산물을 생성하는 공정 단계의 반응 속도를 본 발명의 방법에 의해 감소될 수 있다.

다른 구체예에서, 상기 전환 반응의 속도 결정 단계에 참여하는 미생물의 성장을 향상시키는 신호와 같이, 바람직한 외부 신호전달을 생성하는 미생물의 성장을 촉진하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 바람직한 미생물의 수에 간접적으로 영향을 끼치는 것이 가능하다.

다른 관점에서, 적어도 하나의 미생물 종은 상기 전환 공정의 수율이나 선택도에 저해 효과를 가질 수 있다. 상기 군집 내의 유용한 미생물 종의 상대적 수가 증가할 때, 상기 전환 공정의 전체 수율이나 선택도가 향상될 수 있다. 한편, 저해 미생물 종의 상대적인 수가 상기 전환 공정의 전체적 수율를 향상시키고, 반응 속도 또는 선택도를 변경할 수 있다. 미생물 및 탄소원으로부터 메탄 생성 전환에 대한 이의 역할에 대한 연구가 WO WO/2011/159924에서 개시되어 있고 이는 참조로써 그 전체가 본 발명에 병합되게 된다.

저산소 환경과 같이 스트레스 환경에서 세포 분열을 변경하는 결합 단백질들이 공지되어 있다. 예를 들어, 저산소 환경에서, 단백질 HIF-1 알파는 DNA 복제 복합체를 DNA 쇄 (strand)에 부하하는 단백질에 결합하여, 상기 복합체가 활성화되는 것을 막고, 따라서 세포가 분열하는 것을 정지시킨다 (M.E. Hubbi, 등., "A Nontranscriptional Role for HIF-1 as a Direct Inhibitor of DNA Replication," Science Signaling, 2013; 6 (262)).

본 발명의 일 관점에서, 상기 조성물은 결합 단백질과 같이, 미생물 군집에서의 적어도 하나의 미생물 종의, 상기 미생물 군집 내의 적어도 다른 미생물 종에 대한, 상대적인 수를 증가 또는 야기시킬 수 있는 적어도 하나의 단백질을 포함한다. 본 발명의 일 관점에서, 상기 단백질은 효소이다. 상기 효소는 상기 미생물 군집에서 적어도 하나의 종에게 유리하거나 불리한 조건을 창출하는 효소들, 적어도 하나의 미생물 종의 세포내 경로에 영향을 끼치는 효소들 및 적어도 하나의 미생물 종이 관여하는 세포내 신호전달 경로에 영향을 끼치는 효소들로부터 선택된다.

본 발명에 적합한 효소들은 아세틸 크실란 에스테라제, 알코올 옥시다제류, 알로파네이트 하이드롤라제, 알파 아밀라제, 알파 만노시다제, 알파-L-아라비노퓨라노시다제, 알파-L-람노시다제류, 암모니아모노옥시다제, 아밀라제류, 아밀로-알파-l ,6-루코시다제, 아릴에스테라제, 세균성 알파- L-람노시다제, 세균성 풀라나제류, 베타-갈락토시다제, 베타-글루코시다제, 카르복실라제류, 카르복실에스테라제, 카르복시무코노락톤 데카르복실라제, 카탈라제류, 카테콜 디옥시게나제, 셀룰라제류, 치토비아제/베타-헥소-아미니다제, CO 디하이드로게나제, CoA 리가제, 덱사르복실라제류, 디에네락톤 하이드롤라제, 디옥시게나제류, 디스뮤타제류, 도파 4,5-디옥시게나제, 에스테라제류, 패밀리 4 글리코실하이드롤라제류, 클루카나아제류, 글루코덱스트라제류, 글루코시다제류, 글루타치온 S-트란스퍼라제, 글리코실 하이드롤라제류, 하이알루로니다제류, 하이드라타제류/디카르복실라제류, 하이드로게나제류, 하이드롤라제류, 이소아밀라제류, 락카제류 (Laccases), 레반수크라제류/인버타제류, 만델레이트 라세마제류, 만노실 올리고당 글루코시다제류, 멜리비아제류, 메탄노마이크로비알에소프테린 S-메틸 트란스페라제류, 메테닐 테트라하이드로-메타노프테린 시클로하이드롤라제류, 메틸-코엔자임 M 리덕타제, 메틸무코노락톤 메틸-아이소머라제, 모노옥시게나제류, 무코노락톤 델타-아이소머라제, 니트로게나제류, O-메틸트란스페라제, 옥사다제류, 옥시도리덕타제류, 옥시게나제류, 펙친에스테라제류, 주변세포질 (periplasmic) 펙테이트 라이아제, 페록시다제류, 페놀 하이드록실라제, 페놀 옥시다제류, 페놀 산 디카르복실라제, 피타노일-CoA 디옥시게나제, 폴리사카라이드 디아세틸라제, 풀라나제류, 리덕타제류, 테트라하이드로메탄노프테린 S-메틸트란스페라제, 테르모토가 글루카노트란스페라제 및 트립토판 2,3-디옥시게나제를 포함할 수 있다.

특정 구체예에서, 상기 조성물에 사용되도록 선택된 효소는 상기 미생물 군집내에서 적어도 하나의 종에게 유리하거나 불리한 조건을 창출할 수 있다. 상기 효소는 상기 탄소 함유 물질 내의 성분을, 적어도 하나의 미생물 종의 성장을 촉진하여 상기 전환 공정의 수율, 속도 또는 선택도를 향상시키는 물질로, 또는 상기 전환 공정의 수율, 속도 및/또는 선택도를 저해하는 적어도 하나의 종의 성장을 저해하는 물질로 전환함으로써 이러한 목적을 달성할 수 있다.

다른 구체예에서, 상기 효소는 상기 전환 공정의 수율, 속도 및/또는 활성을 촉진하는 적어도 하나의 미생물 종의 성장을 저해하는 탄소 함유 물질 내의 성분, 또는 상기 공정의 수율, 속도 및/또는 선택도에 저해적인 적어도 하나의 종의 성장을 촉진하는 성분을 파괴할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 효소를 사용하여 상기 미생물 군집 내의 하나 이상의 미생물 종의 상대적인 수에 간접적으로 영향을 끼칠 수 있다.

다른 구체예에서, 상기 조성물 내의 효소를 사용하여 상기 미생물 군집 내의 종 간의 세포외 신호전달을 간섭할 수 있다. 미생물 군집 내의 복수의 종들은, 종들이 상호 교류하고 및 어느 정도 상호 작용 및 의존하는 공동체와 같다. 특정 미생물 간의 세포외 신호전달을 붕괴시키는 효소를 사용하여 그 공동체의 균형을 변경하고 이럼으로써 미생물 군집을 상기 전환 공정의 수율, 속도 및/또는 활성을 증가시키도록 조작할 수 있다.

세균들은 신호 전달체계를 통해 서로 교류하는 방식을 가지는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 생물막의 형성을 저해하는 그러한 하나의 신호 체계가 주어지면, 세균은 세균이 다른 데로 이동할 수 있는 능력을 부여하는 편모를 형성한다 (Jindong Zan, 등, "A complex LuxR-LuxI type quorum sensing network in a roseobacterial marine sponge symbiant activates flagellar motility and inhibits biofilm formation," Molecular Microbiology, vol. 85, page 916, 2012).

다른 구체예에서, 상기 타겟된 세포외 신호전달은 퀘럼 센싱이고 이를 통해 미생물이 환경에 존재하는 자가유도물질로 불리우는 화학적 분자를 용량 의존적 방식으로 검출하고 반응한다. 자가유도물질들은 동일한 종 또는 상이한 종의 미생물에 의해 생성될 수 있다. 자가유도물질의 농도가 한계치에 다다를 때, 미생물은 상기 자가유도물질을 검출하고 그 유전자 발현을 변경하여 이러한 신호에 반응한다. 퀘럼 센싱은 군집 내의 미생물들이 다세포 본체와 유사한 집단적 공동체로서 행동하게 한다.

퀘럼 센싱은 상기 미생물 군집 내의 미생물의 상이한 군에서는 상이하다. 예를 들어, 그람-음성 세균은 LuxIR 시스템을 사용하는 데, 이는 자가유도물질로서 아실 호모세린 락톤류 (AHL)ㄹ르 사용할 수 있다. AHL는 공통의 호모세린 락톤 분체를 가지나 다양한 아실 측쇄를 보유한다. 그람 음성 세균은 Luxl 단백질, 또는 이러한 단백질의 동족체을 사용하여 AHL을 합성하는 반면 LuxR (또는 LuxR의 동족체)를 상기 자가유도물질에 결합하고 및 상기 세균 내의 유전자 발현을 조절하는 조절자로서 사용한다. 이러한 LuxIR 시스템은, 하나의 종에 의해 생성되는 AHL가 다른 종의 LuxR 조절자와 있다고 해도, 거의 상호작용하지 않기 때문에, 굉장한 선택도를 나타낸다.

그람 양성 세균은 자가유도물질로서 펩타이드를 사용하는 올리고펩타이드 시스템을 사용한다. 상기 펩타이드들은 전구체 펩타이드들로서 세포질에서 생성되고 그 후 절단되고, 변경되고 및 환경으로 배출된다. 상기 자가유도물질들은 이성분-복합체에 의해 검출되는 데, 이는 상기 자가유도물질을 검출하고 그 후 상기 세균 내에서 유전자 발현을 조절하는 반응 조절자를 인산화/활성화시키는 막-결합 센서 키나제 단백질의 외부 부분을 가진다. 상기 펩타이드 자가유도물질은 또한 이를 생성하는 종에 특이적인 것으로 나타난다.

세 번째 주요 퀘럼 센싱 시스템은 그람 음성 및 그람 양성 종 둘 다를 포함하는 다양한 세균에서 발견되고, 상기 LuxS 시스템은 상기 자가유도물질 AI-2을 사용한다. AI-2는 이성분 시스템 LuxP/LuxQ (조절자)에 의해 검출되고, 및 결과된 인산화 케스케이드는 유전자 발현의 조절로 인도 된다.

세균 성장은 종종 퀘럼 시스템에 의존한다. 예를 들어, 특정 세균은 공동체에서 잘 성장하나 단일 세균 세포로부터 용이하게 배양될 수 없다. 특정 세균의 세균 성장은, 이들 세균들이 퀘럼 센싱 시스템을 통해 환경에서 특정 자가유도물질을 검출하지 않을 때는, 정지되는 것으로 보인다.

일 구체예에서, 본 발명은 적어도 하나의 세균 종의 성장을 특이적으로 저해하기 위해 효소를 사용하여 적어도 하나의 세균 종의 퀘럼 센싱 시스템을 훼방한다. 상기 퀘럼 센싱 시스템의 다양한 면, 특히 세포외 부분을 타겟하는 효소를 사용할 수 있다. 일 구체예에서, 효소를 사용하여 특정 세균 종의 성장과 연관된, 상기 세균 종의 자가유도물질을 특이적으로 분해한다. 그러한 종이 환경에서 요구되는 자가유도물질의 충분한 양을 검출하지 못할 것이기 때문에 상기 종의 성장은 따라서 저해될 것이다.

다른 구체예에서, 효소를 사용하여 세균 종의 조절자를 특이적으로 분해할 수 있다. 상기 종은 자가유도물질들을 검출하는 데 상기 조절자에 의존하기 때문에, 분해된 조절자를 가진 세균은 환경 내에서 상기 자가유도물질을 검출할 수 없을 것이다. 따라서, 그러한 세균 종의 성장은 또한 이러한 방식으로 저해될 수 있다. 특정 구체예에서, 효소는 공통 분체를 공유하는 다중 자가유도물질들 및/또는 다중 조절자들을 분해할 수 있고 따라서, 다중 세균 종의 성장이 단일 효소에 의해 저해될 수 있다. 대안적으로, 다중 효소들을 사용하여 미생물 군집 내에서 다중 자가유도물질들 및/또는 다중 조절자들을 분해하여 그럼으로써 다중 세균 종의 성장을 저해할 수 있다.

Hazan, R., 등, "Homeostatic Interplay between Bacterial Cell-Cell Signaling and Iron in Virulence," (2010), PLoS Pathog. 6(3): el000810, dio: 10.1371/journal.ppat. 100810 은 퀘럼 센싱 신호전달 경로에 참여하는 조성물들을 동정하는 방법을 설명하고 있다. 또한, Kaper, J.B. 및 Sperandio, V., "Bacterial Cell-to-Cell Signaling in the Gastrointestinal Tract," Infection and Immunity, June 2005, pp. 3197-3209은 퀘럼 센싱 및 이에 참여하는 조성물들의 특성화에 대하여 설명하고 있다. 이러한 논문은 특정 세균 종에 대한 퀘럼 센싱 시스템, 자가유도물질 및 관련 표현형들이 현존 방법으로 동정될 수 있다는 것을 증명하고 있다. 이러한 참조문헌의 내용은 참조함으로써 그 전체가 본 발명에 병합된다.

미생물 군집의 관련 구성원들의 상대적인 수를 증가시키는 것은 또한 에서의 증가는 자가유도물질들을 활성화시킴으로써 성취될 수 있다. 예를 들어, 붕산염 인자는 AI-2 전구체가 종간 교류에 대한 '보편적' 신호인 활성 AI-2를 생성하도록 하는 것이 발견되었다 (Chen X., 등, Nature 2002 Jan 31; 415(6871): 545-9, 참조함으로써 그 전체가 본 발명에 병합됨).

세균들은 경쟁 집단에 대하여 개별간에 상호 협력하는 것으로 알려져 있다. 사이언스지 (Science, 7 September 2012: Vol. 337 no. 6099 pp. 1228-1231)에서, Cordero 등은 일정 집단에서 수 가지 유전형에 의해서 다양한 범위의 항생제가 생성되는 반면 다른 유전형들은 내성이 있어서, 동종 간에 협력을 암시한다고 밝혔다. 이러한 방식으로 생성되는 항생제들은 따라서 개별 개체의 성공을 증가시키기 보다는 집단 간의 경쟁을 중재한다 ("Ecological Populations of Bacteria Act as Socially Cohesive Units of Antibiotics Production and Resistance"). 이러한 참조문헌의 내용은 참조함으로써 그 전체가 본 발명에 병합된다.

본 발명의 다른 관점에서, 상기 조성물은 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종의, 그 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수의 감소를 야기시킬 수 있는 항생제를 포함할 수 있다. 특정 미생물 분류군의 수는 상기 미생물 군집으로 항생제를 도입함으로써 감소될 수 있다.

본 발명에 적합한 항생제는 암피실린, 클로람페니콜, 에리트로마이신, 포스포마이신, 젠타마이신, 카나마이신, 네오마이신, 페니실린, 림파피신, 스트렙토마이신, 테트라사이클린 및 반코마이신을 포함한다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 집단은 음파 또는 전자기 전류와 같은 물리적 신호에 노출된다. 미생물이 이러한 물리적 신호를 생성하고 반응한다는 것을 나타내는 실험적 증거를 이용할 수 있다 {Trends Microbiol, 2011 March: 19(3); 105-113 "When Microbial Conversations get Physical", 참조함으로써 그 전체가 본 발명에 병합됨).

일 구체예에서, 상기 조성물은 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을, 그 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수의 감소를 야기시킬 수 있는, 핵산류 및 폴리펩타이드류의 타겟팅용 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드, 안티센스 RNA, 안티센스 RNA를 모사하는 핵산 유사체, 또는 마이크로-RNA와 같은, 적어도 하나의 생체분자를 포함할 수 있다. 생체분자들을 사용하여 하나 이상의 미생물 종의 성장을 저해하거나 하나 이상의 미생물 종의 성장을 촉진할 수 있다. 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드류와 같은 특정 생체분자들의 높은 특이성으로 인하여, 성장 저해는 오로지 단일 종 또는 일군의 종, 예를 들어 상기 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드에 결합하는 동일 서열 도메인을 공유하는 핵산을 가지는 그러한 종들에만 해당될 수 있다.

일 구체예에서, 본 발명은 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드을 사용하여 미생물 종의 대사 경로에 있는 성분의 핵산을 타겟한다. 그러한 종의 대사 경로를 방해하게 되면, 상기 미생물의 성장이 저해될 것이다. 다른 구체예에서, 본 발명은 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드를 사용하여 미생물 종의 신호전달 경로에 있는 성분을 타겟한다. 그러한 종의 신호전달 경로를 방해하게 되면, 상기 미생물의 성장이 저해될 것이다. 미생물의 성장을 방해하기 위해 타겟되는 많은 대사경로 및 신호전달 경로가 있다. 상기 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들은 이러한 대사 또는 신호전달 경로들 중 하나 이상에서의 단백질과 핵산들을 타겟할 수 있다.

핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들을 또한 사용하여 퀘럼 센싱과 같은 세포외 신호전달을 방해할 수 있다. 예를 들어, 자가유도물질의 합성을 감소시키거나 방지하기 위해, 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들을 사용하여 자가유도물질의 합성에 관여하는 단백질의 핵산을 타겟할 수 있다. 대안적으로, 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들을 사용하여 상기 자가유도물질을 검출하는 조절자의 핵산을 타겟할 수 있다. 환경에 자가유도물질이 없거나 상기 미생물이 상기 자가유도물질을 검출하는 조절자를 가지지 않을 때, 상기 퀘럼 센싱이 방해된다. 따라서, 그 성장이 퀘럼 센싱에 의존하는 종의 성장은 이러한 방식으로 저해될 수 있다.

일 구체예에서, 상기 FRET 시스템을 사용하여 세균 종 내에서 RNA들과 하이브리드화 할 수 있는 리보좀 RNA, 특히 이의 A-부위와 같은 핵산 분자를 동정할 수 있다. 이러한 핵산 분자들을 항생제로서 사용하여 세균 군이나 종의 성장을 특이적으로 저해시킬 수 있다.

핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들을 많은 다른 방법으로 사용하여 미생물 종의 성장을 저해시킬 수 있다. 예를 들어, 구조 단백질의 핵산은 하나 이상의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들에 의해서 타겟될 수 있다. 구조 단백질이 결여되면, 상기 미생물의 성장이 저해된다. 다른 실시예에서, 미생물 번식에 관여하는 단백질의 핵산이 타겟될 수 있고 따라서 미생물 번식을 저해한다.

본 발명의 특정 구체예에서, 상기 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들을 개질하여 미생물 세포에 의한 상기 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들의 흡수를 향상시킬 수 있다. 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들을 개질하는 한 방법은 전달체로의 공유결합에 의한 것이다. 예를 들어, 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들은 상기 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들의 흡수를 용이하게 하는 PTD (peptide transduction domain)과 접합될 수 있다 (참조 Meade 등., "Enhancing the cellular Uptake of siRNA Duplexes Following Noncovalent Packaging with Protein Transduction Domain Peptides," Adv. Drug Deliv. Rev., March 2008 1; 60(4-5): 530- 536). 다른 적절한 전달제들은 Minis Transit TKO 친유성 제제; 리포펙틴; 리포엑타민; 셀펙틴; 및 다중양이온 (예, 폴리리신)을 포함한다.

리포좀을 또한 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드를 미생물 세포로의 전달을 돕는 데 사용할 수 있다. 본 발명에 사용하기 적절한 리포좀은, 일반적으로 중성 또는 음하전된 인지질 및 콜레스테롤과 같은 스테롤을 포함하는, 표준 베지클-형성 지질로부터 형성된다. 지질의 선택에는 일반적으로 리포좀의 크기 및 혈류 내에서의 리포좀의 수명과 같은 인자를 고려하여 결정된다. 리포좀을 제조하는 다양한 방법들이, 미국 특허 번호 4,235,871, 4,501,728, 4,837,028 및 5,019,369에 설명되어 있는 바와 같이 공지되어 있고, 이들은 참조함으로써 이들 전체로서 본 발명에 병합된다.

다른 구체예에서, 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들은 미생물의 세포 속으로 도입된 플라즈미드로부터 발현될 수 있다. 미생물 세포에서 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들을 발현할 수 있는 임의의 플라스미드 벡터가 본 발명에서 사용될 수 있다.

다른 구체예에서, 바이러스성 발현 벡터를 사용하여 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드를 미생물 세포에 전달할 수 있다. 미생물에서 발현될 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드에 대한 코딩 서열을 수납할 수 있는 임의의 바이러스성 벡터를 사용할 수 있다. 박테리오파지들은 바이러스성 발현 벡터의 적절한 예이다. 바이러스성 벡터가 상기 미생물 세포에 들어간 후, 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드들이 상기 벡터로부터 생성될 수 있다.

본 발명의 방법은 하나 이상의 미생물들을 선택하고 및 상기 미생물의 집단에 영향을 주기에 유용한 하나 이상의 조성물을 동정하는 단계들을 포함할 수 있다.

일 관점에서, 본 발명의 방법은 그 수에 영향을 주는 것이 바람직한 하나 이상의 미생물을 선택한다. 이러한 미생물들은 다양한 상이한 기준에 의거하여 선택될 구 있다. 따라서, 미생물들은 탄소 함유 물질이 탄화수소류로 전환하는 공정으로의 그들의 직접적인 참여에 기반하여 또는 상기 공정에 간접적인 참여에 기반하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 바람직한 미생물과 영양분 및/또는 원료에 대하여 경쟁하는 미생물들을 수적 조절을 위해 선택될 수 있다. 독소 또는 항생제를 생성하거나 또는 다르게는 상기 전환 반응에 대한 환경에 역영향을 주는 미생물들을 선택할 수 있다. 바람직한 세포외 신호전달을 나타내는 미생물들을 선택할 수 있다. 또한, 미생물들은 그들이 생성하는 효소나 단백질의 양이나 유형에 기반하여 또는 그들이 생성하는 폐기 물질에 기반하여 선택될 수 있다.

일단 특정 미생물 또는 미생물의 군이 수적 조절을 위해 선택되면, 본 방법은 특정 미생물의 수가 증가 또는 감소될 것인지를 전술한 하나 이상의 기준에 기반하여 결정할 수 있다. 이것이 결정되면, 본 방법에 따른 다양한 전략이 본 목적을 성취하기 위해 사용될 수 있다.

상기 미생물의 동정 후, 본 발명은 상기 원하는 목적을 성취하기 위해 조작 가능한, 미생물 종의 세포 내 경로 및 상기 미생물의 세포 외 신호전달 경로를 확인할 수 있다. 일단 그러한 경로가 확인되면, 저해에 필요한 그 경로의 필요한 성분이나 일면을 확인할 수 있다. 예를 들어, 특정 자가유도물질 또는 자가유도물질의 검출에 참여하는 조절자를 타겟하여 세포외 퀘럼 센싱 경로에 영향을 끼칠 수 있다. 다른 신호전달 매개체를 또한 동정하고 타겟할 수 있다. 대안적으로 세포내 경로의 성분을 동정하고 타겟할 수 있고 또는 경로에 사용되는 수용체를 타겟하고 차단할 수 있다.

대안적으로, 상기 미생물 내 안티센스 RNA용 타겟을 확인할 수 있다. 일단 상기 타겟이 확인되면, 적절한 안티센스 RNA를 선택하고 사용하여 상기 미생물의 수에 영향을 끼칠 수 있다. 안티센스 RNA에 대한 적절한 타겟은, 예를 들어, 마이토콘드리아에서 발견되는 성분 또는 세포내 또는 세포간 신호전달에 참여하는 성분일 수 있다. 또한, 저해하기 위해, 예를 들어, 효소 생성에 참여하는 세포의 성분이 타겟될 수 있다.

또 다른 대안은 상기 선택된 미생물을 타겟하는 항생제를 선택하는 것이다. 바람직하게는, 이러한 목적에 선택적인 항생제를 선택하여 특정 미생물을 특이적으로 타겟한다.

특허 출원 공개 번호 WO2008/133709 "Targeted Split Biomolecular Conjugates for the Treatment of Diseases, Malignancies and Disorders, and Methods of their Production" 는 본 발명의 방법에 유용한 조성물 유형을 개시하고 있다. 상기 조성물들은 핵산 및 폴리펩타이드를 지향 타겟하기 위한 분할 생체분자성 접합체들 (split-biomolecular conjugates)이다. 상기 분할 생체분자성 접합체들은 프로브에 접합된 분할된 작동인자 (effector) 단백질 단편물을 포함한다. 양쪽 프로브들과 병원성 핵산 서열 또는 병원성 단백질과 같은 타겟 핵산 또는 타겟 폴리펩타이드와의 상호작용으로 인해, 분할 작동인자 단편물들이 같이, 작동인자 분자의 재조립이 용이하게 된다. 작동인자 분자에 의존하여, 단백질 상보화는 세포성 효과를 결과한다. 본 발명의 방법에서, 그러한 조성물들을 본 명세서에서 설명된 바와 같이 사용할 수 있다.

일단 미생물 수에 영향을 끼치는 것으로 사용될 조성물(들)이 확인되면, 상기 조성물(들)은 탄소 함유 물질의 전달에 적합한 조성물로 제제화된다. 적합한 조성물들은 전술되어 있다.

본 발병에 사용하기 적합한 성분의 선택에 대한 다른 고려사항은 미생물 군집에 존재하는 다른 미생물 종에 대한 그들의 잠재적 영향이다. 따라서, 본 발명의 특정 관점에서, 추가적 시험이나 분석을 실시하여 제안된 성분의 미생물 군집에 존재하는 다른 미생물 종에 대한 효과를 결정할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 컴퓨터 또는 다른 적절한 수단을 사용하여 상기 반응의 시뮬레이션을 실시하거나 또는 소규모 전환 반응을 셋업하고 특정 성분을 상기 전환 반응에 도입한 결과에 대해 시험할 수 있다.

본 발명의 일 관점에서, 상기 탄소 함유 물질에 도입된 조성물은 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을, 그 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시킬 수 있는 적어도 하나의 영양분을 포함한다.

미생물 군집 내의 상이한 미생물 종에 대한 상이한 영양분 필요조건들이 있다. 그 결과, 특정 영양분들을 선택하여 특정 미생물들과 이들의 영양분 필수조건들에 대한 지식에 기반한 특정 방법으로 상기 미생물 군집을 조작할 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 수율, 선택도를 향상시키거나 반응의 속도를 바꾸고자 하는 목적을 위해, 특정 영양분을 선택하여 상기 미생물 군집의 적어도 특정 종의 상대적인 수에 영향을 끼칠 수 있다.

상기 영양분은 하나 이상의 미생물 중이 의존하는 물질일 수 있거나 또는 상기 영양분은 하나 이상의 미생물 종이 의존하는 물질로 전환될 수 있거나 전환될 물질일 수 있다. 역으로, 상기 영양분 자체는 상기 전환 공정의 수율, 선택도 또는 속도에 저해적인 미생물 종을 방해하는 물질일 수 있거나 상기 영양분은 상기 전환 공정의 수율, 선택도 또는 속도에 저해적인 미생물 종을 방해하는 물질로 전환될 수 있다.

본 발명에 적절한 영양분은 암모늄, 아스코브산, 비오틴, 칼슘, 칼슘 판토데네이트, 염소, 코발트, 구리, 엽산, 철, K₂HPO₄, KNO₃, 마그네슘, 망간, 몰리브데늄, Na₂HPO₄, NaNO₃, NH₄Cl, NH₄NO₃, 니켈, 니코틴산, p-아미노벤조산, 인, 칼륨, 피리독신 HCl, 리보플라빈, 셀레늄, 나트륨, 티아민, 티옥산, 텅스텐, 비타민 B12, 비타민류 및 아연을 포함한다.

따라서, 본 발명의 방법의 일 관점에 있어서, 상기 조성물을 하나 이상의 미생물 종에 더하여 또는 그와 조합적으로 도입하여 상기 전환 공정에 영향을 끼칠 수 있다. 추가적인 미생물 종이 다양한 상이한 목적을 위해 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 전환 공정의 속도 결정 단계에 관여하는 특정 미생물을 보충하여 상기 속도 결정 단계의 반응 속도나 수율을 증가시킬 수 있다. 다른 구체예에서, 영양분을 증가시키고, 독소의 농도를 감소시키고 및/또는 상기 전환 공정에 참여하는, 군집 내의 상이한 미생물에 대한 경쟁 미생물을 저해시키는 목적으로 특정 미생물을 도입할 수 있다. 하나 이상의 미생물 종을 도입하여 이러한 하나 이상의 목적을 완수할 수 있다.

특정 구체예에서, 상기 전환 공정의 연구 또는 컴퓨터 시뮬레이션 및/또는 상기 전환 공정의 환경을 사용하여 본 발명에 사용되는 특정 조성물을 선택할 수 있다. 예를 들어, US 2010/0081184에 설명된 방법을 이러한 목적을 위해 사용할 수 있고, 이의 내용은 참조로써 본 발명에 병합된다.

본 발명의 특정 구체예에서, 상기 탄소 함유 물질을 예비처리하여 상기 탄소 함유 물질의 투과도를 높일 수 있고, 이에 따라, 미생물 군집에 의해 전환될 탄소 함유 물질내의 큰 탄소질 분자의 민감도를 높인다. 물리적 (예, 파단 등) 및 화학적 접근 (예, 아세트산, 수산화 나트륨, 과탄산염, 과산화물 등과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는, 계면활성제, 산, 염기, 산화제로 처리하는)을 적용하여 석탄과 유혈암과 같은 탄소 함유 물질 내의 유기물의 이용가능성을 향상시킬 수 있다. 이러한 방법들은 사용하여 석탄, 유혈암, 갈탄, 석탄 유도체 등의 구조를 분쇄하여 더 많은 유기물을 방출하거나 또는 심지어 아마도 더 작은 유기 화합물로의 분해에 더 민감하게 할 수 있다. 특정의 적절한 예비처리 방법이 US 2010/0139913, WO 2010/1071533 및 US 2010/0262987에 설명되어 있고, 이들의 내용은 참조로써 본 발명에 병합된다.

또한, 본 발명은 탄소 함유 물질의 생물 전환을 변경하는 다른 방법, 예를 들어, WO 2011/142809에 설명된 전기자극 방법과 연계하여 사용될 수 있고, 이의 내용은 참조로써 본 발명에 병합된다.

비록 본 발명의 많은 특징과 장점들이, 본 발명의 구조와 기능의 상세점들과 같이, 전술한 설명에서 제시되어 있다고 하더라도, 본 개시는 오직 예증적인 것이고, 첨부된 청구범위가 표현되는 용어들의 넓은 일반적인 의미들에 의해 지시되는 전 범위까지 본 발명의 원리 내에서, 변경이 상세 점에서, 특히, 형상, 크기 및 부분의 배열에서 만들어질 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.

Claims

탄소 함유 물질 내의 적어도 하나의 성분을 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 상이한 생성물로 전환하는 미생물 군집 관여 공정으로서:
미생물 군집과 상기 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을, 상기 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시키는 조성물을 접촉하여 상기 조성물의 부재시에 수행되는 동일한 공정에 비해, 공정의 수율이나 선택도를 향상시키거나 공정의 속도를 변화시키는 단계를 포함하며, 상기 조성물은 상기 적어도 하나의 미생물 종의 세포내 경로에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 끼치는 조성물 및 상기 적어도 하나의 미생물 종이 관여하는 세포내 신호전달 경로에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 끼치는 조성물로부터 선택되는 공정.
제1항에 있어서, 상기 세포내 경로는 대사성 경로인 공정.
제1항에 있어서, 상기 세포내 경로는 신호전달 경로인 공정.
제1항에 있어서, 상기 세포내 신호전달 경로는 퀘럼 센싱 경로인 공정.
제1항에 있어서, 상기 조성물은 상기 적어도 하나의 미생물 종의 자가유도물질에 영향을 끼치는 방법.
제5항에 있어서, 상기 조성물은 상기 적어도 하나의 미생물 종의 조절자에 영향을 끼치며 상기 조절자는 상기 미생물에 의해 자가유도물질을 검출하도록 규정되어 있는 공정.
제1항에 있어서, 상기 조성물은 상기 적어도 하나의 미생물 종의 세포내 경로에 영향을 끼치는 적어도 하나의 효소 및 상기 적어도 하나의 미생물 종이 관여하는 세포내 신호전달 경로에 영향을 끼치는 조성물을 포함하는 공정.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 함유 물질은 지하 형성물에 위치되어 있는 공정.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 함유 물질 현지외 (ex-situ) 형성물에 위치되어 있는 공정.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 함유 물질은 석탄을 포함하는 공정.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 생성물은 메탄을 포함하는 공정.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 상기 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을, 상기 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시키는 항생제를 포함하는 공정.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 액체 형태로 있는 공정.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 고체 형태로 있는 공정.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 에어로졸 형태로 있는 공정.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 적어도 하나의 영양분을 더 포함하는 공정.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서:
(a) 수적으로 조정될 미생물을 동정하는 단계,
(b) 상기 단계 (a)에서 동정된 미생물의 세포내 경로 또는 세포외 신호전달 경로를 동정하는 단계,
(c) 상기 단계 (b)에서 동정된 세포내 경로 또는 세포외 신호전달 경로에 영향을 끼치는 성분을 동정하는 단계를 더 포함하는 공정.
제17항에 있어서, 상기 단계 (c)는 상기 세포내 경로 또는 세포외 신호전달 경로에 참여하는 타겟을 먼저 동정하고 그 후 상기 타겟을 저해할 수 있는 성분을 동정하는 공정.
탄소 함유 물질 내의 적어도 하나의 성분을 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 상이한 생성물로 전환하는 미생물 군집 관여 공정으로서:
상기 미생물 군집과, 상기 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을, 상기 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시키는 적어도 하나의 생체분자를 포함하는 조성물을 접촉하여 상기 조성물의 부재시에 수행되는 동일한 공정에 비해, 공정의 수율이나 선택도를 향상시키거나 공정의 속도를 변화시키는 단계를 포함하는 공정..
제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 전달제에 공유결합적으로 연결되어 있는 공정.
제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 리포좀에 포장되는 공정.
제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드 플라즈미드의 형태로 있는 공정.
제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 바이러스성 발현 벡터의 형태로 있는 공정.
제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 상기 적어도 하나의 미생물 종의 대사성 경로의 적어도 하나의 단백질의 핵산을 타겟하는 공정.
제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 상기 적어도 하나의 미생물 종이 관여하는 세포내 신호전달 경로의 적어도 하나의 단백질의 핵산을 타겟하는 공정.
제25항에 있어서, 상기 세포내 신호전달 경로는 퀘럼 센싱 경로인 공정.
제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 자가유도물질의 합성에 관여된 단백질의 핵산을 타겟하는 공정.
제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 자가유도물질의 분비에 관여하는 단백질의 핵산을 타겟하는 공정.
제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 자가유도물질을 검출하는 데 사용되는 조절자의 합성에 관여하는 단백질의 핵산을 타겟하는 공정.
제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 핵산류 및 폴리펩타이드류로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 타겟하는 공정.
제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 안티센스 RNA 및 안티센스 RNA를 모사하는 핵산 유사체들로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 타겟하는 공정.
제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵산 결합 올리고뉴클레오타이드는 하나 이상의 마이크로-RNA를 타겟하는 공정.
탄소 함유 물질 내의 적어도 하나의 성분을 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 상이한 생성물로 전환하는, 미생물 군집 관여 공정으로서:
상기 미생물 군집과, 상기 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을, 상기 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시키는 적어도 하나의 항생제를 포함하는 조성물을 접촉하여 상기 조성물의 부재시에 수행되는 동일한 공정에 비해, 공정의 수율이나 선택도를 향상시키거나 공정의 속도를 변화시키는 단계를 포함하는 공정.
탄소 함유 물질 내의 적어도 하나의 성분을 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 상이한 생성물로 전환하는 미생물 군집 관여 공정으로서:
상기 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을 그 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시키는 신호에 상기 미생물 군집을 노출시켜 상기 신호의 부재시에 수행되는 동일한 공정에 비해, 공정의 수율이나 선택도를 향상시키거나 공정의 속도를 변화시키는 단계를 포함하며, 상기 신호는 음파 및 전자기파로 구성되는 군으로부터 선택되는 공정.
제34항에 있어서, 상기 신호는 상기 적어도 하나의 미생물 종의 세포내 경로에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 끼치는 신호 및 상기 적어도 하나의 미생물 종이 관여하는 세포내 신호전달 경로에 영향을 끼치는 신호로부터 선택되는 공정.
탄소 함유 물질 내의 적어도 하나의 성분을 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 상이한 생성물로 전환하는 미생물 군집 관여 공정으로서:
상기 미생물 군집의 환경 조건을 변경하여 상기 미생물 군집의 적어도 하나의 미생물 종을, 상기 미생물 군집의 적어도 또 다른 미생물 종에 비해, 상대적인 수를 증가시키거나 감소시킴으로 상기 변경된 환경 조건 부재시에 수행되는 동일한 공정에 비해, 공정의 수율이나 선택도를 향상시키거나 공정의 속도를 변화시키는 단계를 포함하고,
상기 환경 조건은 상기 적어도 하나의 미생물 종의 세포내 경로에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 끼치는 환경 조건 및 상기 적어도 하나의 미생물 종이 관여하는 세포내 신호전달 경로에 영향을 끼치는 환경 조건으로부터 선택되는 공정.
제36항에 있어서, 상기 환경 조건은 환경의 산소 함량 및 환경의 물리적 조건으로부터 선택되는 공정.