연구성과
POSTECH 차형준 교수팀, 해양생광물화 모방 박테리아 촉매 개발
이산화탄소를 인공뼈로 만드는 살아있는 박테리아?
POSTECH 차형준 교수팀, 해양생광물화 모방 박테리아 촉매 개발
환경오염의 주범, 이산화탄소를 산업용 물질로 바꾸어 환경오염을 막고 자원을 새롭게 만들어내려는 시도가 이어지는 가운데, 진주조개가 진주를 만드는 ‘생광물화’*1를 이용해 보다 효율적으로 인공뼈 등에 활용할 수 있는 화합물을 만들 수 있는 연구결과가 나왔다.
POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과․해양대학원 차형준 교수팀은 탄산무수화효소(carbonic anhydrase)*2를 가진 살아있는 박테리아 촉매를 이용, 이산화탄소를 산업용으로 활용할 수 있는 탄산화합물로 효율적으로 전환하는 기술을 개발했다.
이 성과는 응용생명공학분야의 저명 학술지인 ‘응용환경미생물학회지(Applied and Environmental Microbiology)’의 주목받는 연구결과로 소개되는 한편, 미국미생물학회가 우수 논문을 소개하는 ASM저널팁시츠(ASM Journal Tipsheets)에도 선정됐다.
이산화탄소는 21세기 인류가 해결해야 할 가장 큰 이슈 중 하나로, 석유나 석탄과 같은 화석연료가 타는 과정에서 생기는 이산화탄소를 대기에 나가지 않도록 모으고 회수하여 저장하는 CCS(carbon capture and storage) 기술이 활발하게 연구되고 있다. 그러나 최근에는 이산화탄소를 하나의 자원으로 보고, 이를 고부가가치의 소재로 만들자는 인식의 전환이 이루어지는 상태다.
자연계에서 이산화탄소는 생광물화라는 과정을 거쳐 탄산화합물로 전환되어 저장된다. 조개가 조개껍데기를 만들어 내는 것 역시 이와 같은 개념으로, 차 교수팀은 이 해양생광물화가 일어나는 메커니즘을 모방해 이산화탄소를 인공뼈나 시멘트, 콘크리트 첨가물 등 다양한 산업분야에서 활용할 수 있는 탄산화합물로 전환할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.
지금까지 이산화탄소의 탄산화합물로의 효율적인 전환을 위한, 탄산무수화효소의 활용은, 활성속도가 빠른 장점이 있지만, 효소를 만들어내는데 비용과 시간이 많이 소요되어 실제로 공정에 활용하기에는 한계가 있었다.
연구팀은 탄산무수화효소의 유전자를 재설계해 이를 살아있는 박테리아가 촉매 역할을 할 수 있도록 했다. 그 결과 박테리아 하나 당 활성이 1.9nU로, 지금까지의 연구결과에 비해 적게는 7배, 많게는 27배까지 높은 활성을 나타냈다.
또, 촉매 없이 1톤의 이산화탄소를 탄산칼슘으로 전환시킬 경우 현재 약 30만원($300)의 비용이 소요될 것으로 추산되지만, 이번에 개발된 촉매를 사용할 경우 14% 이상의 비용감소 효과를 낼 수 있으며, 공정 개발과 효율적인 칼슘원 활용에 따라 더욱 큰 비용감소를 기대할 수 있다.
이렇게 만들어진 탄산화합물은 시멘트, 콘크리트, 플라스틱, 고무 등 다양한 산업용 소재 뿐 아니라 인공뼈, 칼슘보조제 등의 의료 및 건강용 소재로 폭넓게 활용될 수 있다.
연구를 주도한 차형준 교수는 “이번에 개발된 박테리아 촉매는 온실가스인 이산화탄소를 고부가가치 물질로 전환하는데 응용할 수 있는, 지금까지 알려진 전세포*3시스템 가운데 가장 효율적인 성과”라며 “산업화에 성공할 경우 더욱 경제적인 이산화탄소 전환 공정의 개발도 가능할 것”이라고 전망했다.
한편, 이번 연구는 해양수산부(장관 윤진숙)가 추진하는 해양생명공학기술 사업의 해양바이오산업신소재기술개발과 해양에너지인력양성사업의 지원을 받아 수행됐다.
1. 생광물화
생명체는 기본적으로 유기물(단백질, 지질, 탄수화물)로 이뤄져 있으나, 많은 생명체들은 그 밖에도 무기물(미네랄; 탄산칼슘, 인산칼슘, 실리카)로 이뤄진 조직을 갖는다. 외부 환경으로부터 유기물과 무기물을 생명체가 받아들여 잘 조절된 생리활성을 이용하여 기능이 있는 구조물을 만드는 전체적인 과정을 생광물화라고 한다. 생광물화를 통해 생산된 미네랄로 조류(algae)와 규조류의 규산염(silicate), 무척추동물의 탄산염(carbonate), 척추동물의 인산염(phosphate) 및 탄산염(carbonate)을 예로 들 수 있으며, 주로 해양생물의 껍질이나 포유류 및 조류의 뼈를 이루는 구성성분이 된다.
2. 탄산무수화효소(carbonic anhydrase)
탄산무수화효소는 미생물부터 인간, 식물에 이르기까지 다양한 생명체에서 적절한 생리적 기능을 수행한다. 예를 들어 인간의 적혈구에도 탄산무수화효소가 존재하는데, 이들은 온 몸의 세포에서 호흡에 의해 형성된 이산화탄소를 재빨리 녹여서 폐로 운반하는 데 도움을 준다.
이 효소는 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산으로 전환시키는 역할을 하는데, 자연적으로 매우 느리게 일어나는 이 반응은 효소에 의해 약 천만 배 (~107) 빠르게 촉진된다. 이렇게 전환된 탄산은 Ca2+나 Mg2+와 같은 양이온과 반응하여 탄산화합물을 형성하거나 또 다른 생체 효소에 의해 유기물로 전환될 수 있다.
3. 전세포 촉매(whole-cell catalyst)
보통은 미생물과 같은 생명체에서 효소를 생산한 후 세포 파쇄 등의 절차를 통하여 원하는 효소만 분리 정제하여 사용하게 되는데 이러한 과정은 복잡할 뿐만 아니라 소요되는 비용도 커지게 된다. 따라서, 효소가 생산되는 세포 자체를 촉매와 같은 용도로 사용하고자 하는 것이 전세포 촉매 시스템의 개념이며 이를 통하여 활성의 안정화 및 경제성 등의 장점을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 전세포 촉매 시스템이 제대로 작동하려면 세포막을 통한 물질 전달을 원활히 하여야 하는 문제를 해결해야 한다. 이를 위하여 효소를 세포막과 세포벽 사이의 공간인 세포 간극(periplasmic space) 또는 세포 표면(cell surface)에 위치시켜 물질 전달 문제를 해결하는 전세포 촉매 시스템들이 개발되고 있다.
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