전국적으로 화창한 날씨를 보인 6일 서울 용산구 한 화단에 활짝 핀 흰꽃 위로 파란하늘이 펼쳐져 있다. 2020.5.6/뉴스1 © News1 송원영 기자

한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 조병관 생명과학과 교수 연구팀이 기후변화의 주된 요인인 C1 가스를 고부가가치 바이오 화학물질로 전환하는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

C1 가스는 이산화탄소, 일산화탄소 등 탄소 원자가 1개 포함된 기체를 말한다. 조 교수 연구팀은 고효율 광 나노입자가 빛을 받으면 내놓는 전자를 미생물이 에너지원으로 이용할 수 있도록 하는 인공광합성 시스템을 개발했다.

이 기술은 빛을 유일한 에너지원으로 활용해 미생물이 C1 가스를 다양한 바이오 화학물질로 전환하는 친환경 C1 가스 리파이너리 기술(C1가스 전환 기술)로 탄소 중립 달성에 활용될 수 있다.

아세토젠 미생물은 우드-융달 대사회로를 통해 C1 가스를 아세트산으로 전환할 수 있다. 이에 C1 가스로부터 바이오 화학물질 생산을 위한 바이오 촉매로 활용 가능성이 커 탄소 포집 및 활용 기술로 많은 주목을 받고 있다.아세토젠 미생물은 C1 가스 대사를 위한 에너지를 당이나 수소를 분해해 얻는다. 이때 당이나 수소를 대체하기 위해 광 나노입자를 미생물 표면에 부착 시켜 빛에너지를 미생물로 전달시키면 당이나 수소 없이도 C1 가스를 활용할 수 있다.

기존기술은 광 나노입자의 구조와 크기를 조절하기 어려워 C1 가스 대사 효율을 높이는 데 한계가 있었다.

광나노입자 기반 인공광합성 시스템, 화학적으로 합성된 CdS 광나노입자를 아세토젠 미생물 표면에 부착시킨 인공광합성 시스템을 구축. 해당 나노-바이오 하이브리드 시스템은 빛 처리 조건에서 C1 가스를 고정하여 성장가능 (한국과학기술원 제공) 2021.03.09 /뉴스1

이와 같은 한계를 극복하기 위해 연구팀은 구조와 크기가 균일하고 우수한 광전도효과를 나타내는 고효율 광 나노입자를 화학적 방법으로 합성하고, 산업적으로 활용 가능한 아세토젠 미생물 중 하나인 '클로스트리디움 오토에타노게놈'(Clostridium autoethanogenum)의 표면에 부착시켰다.

연구팀은 광 나노입자를 부착한 미생물이 C1 가스로부터 아세트산을 생산할 수 있음을 입증해 빛을 이용한 친환경 인공광합성 시스템을 구축하고 구축된 인공광합성 시스템 미생물의 전사체 분석(세포 내 모든 RNA를 분석해 유전자 발현 유무를 규명하는 기술)을 통해 광 나노입자로부터 생성된 전자가 미생물 내로 전달되기 위한 전자수용체를 규명했다.

연구를 주도한 조병관 교수는 "C1 가스 고정과정에서 사용되는 당 또는 수소를 친환경 빛에너지로 대체할 수 있고, 미생물 기반의 생합성 광 나노입자를 활용한 기존 인공광합성 시스템의 한계를 극복했다"며 "고효율 광 나노입자를 사용해 인공광합성 효율을 증대시킬 수 있으며 생성된 전자를 효율적으로 수용할 수 있는 인공미생물 개발연구에 실마리를 제공했다" 고 의의를 설명했다.

진상락 KAIST 생명과학과 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1 가스 리파이너리 사업단 및 지능형바이오시스템 설계 및 합성연구단(글로벌프론티어사업)의 지원을 받아 수행됐다. 논문은 국제 학술지 '미국국립과학원회보'(PNAS)에 게재됐다.


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