탄소중립 인공광합성 기술 개발

박한수 기자 2021-03-09 (화) 14:46 3년전 487  

- 조병관 교수팀, 광 나노입자 부착 미생물을 활용한 친환경 C1 가스 전환 기술 개발

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​▲ KAIST 생명과학과 조병관 교수

KAIST(총장 이광형)는 생명과학과 조병관 교수 연구팀이 기후변화의 주된 요인인 C1 가스(이산화탄소, 일산화탄소 등 탄소 1개로 구성된 가스)를 고부가가치 바이오 화학물질로 전환하는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

조 교수 연구팀은 광 나노입자가 빛을 받으면 내놓는 전자를 미생물이 에너지원으로 이용할 수 있도록 고효율 광 나노입자가 표면에 부착된 미생물-광 나노입자 인공광합성 시스템을 개발했다. 이 기술은 빛을 유일한 에너지원으로 활용해 미생물이 C1 가스를 다양한 바이오 화학물질로 전환하는 친환경 C1 가스 리파이너리 기술로 정부가 선언한 2050 탄소중립 실현을 위한 다양한 응용 가능성을 제시한다.

KAIST 생명과학과 진상락 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `미국국립과학원회보(Proceedings of National Academy of Science, PNAS)'에 2월 23일 字 온라인판에 게재됐다.(논문명: Acetogenic bacteria utilize light-driven electrons as an energy source for autotrophic growth)

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 환원 에너지를 당이나 수소를 분해해 얻는다. 당이나 수소를 대체하기 위해 나노입자 크기의 개별 광전극 역할을 하는 광 나노입자를 미생물 표면에 부착시켜 빛에너지를 미생물로 전달시키면 당이나 수소 없이도 C1 가스를 활용할 수 있다.

기존기술은 광 나노입자를 생합성해 세포 표면에 부착시키는 방법으로 광 나노입자의 구조와 크기를 조절하기 어려워 C1 가스 대사 효율을 높이는 데 한계가 있었다. 이는 구조와 크기에 따라 광전도효과의 성능에 차이가 생기는 광 나노입자의 독특한 특성 때문이다.

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 극복했다ˮ며 "고효율 광 나노입자를 사용해 인공광합성 효율을 증대시킬 수 있고, 광 나노입자로부터 생성된 전자를 효율적으로 수용할 수 있는 인공미생물 개발연구에 실마리를 제공했다ˮ 고 의의를 설명했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1 가스 리파이너리 사업단 및 지능형바이오시스템 설계 및 합성연구단(글로벌프론티어사업)의 지원을 받아 수행됐다.

 

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그림 1. 광나노입자 기반 인공광합성 시스템 소개: 화학적으로 합성된 CdS 광나노입자를 아세토젠 미생물 표면에 부착시킨 인공광합성 시스템을 구축. 해당 나노-바이오 하이브리드 시스템은 빛 처리 조건에서 C1 가스를 고정하여 성장가능.

 

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그림 2. 화학적 합성을 통해 확보한 광나노입자의 물리적 특성비교:
A) 광나노입자 (Cadmium sulfide nanoparticle, CdS NP)와 광전도효과에 대한 소개; 광나노입자 중 하나인 CdS에 band gap 에너지를 극복할 수 있는 빛에너지 처리 시 가전자대(valence band, VB)에 위치한 전자가 전도대(conduction band, CB)로 천이되며 다른 전자수용체로 이동이 가능해지고, 혹 이러한 전자수용체가 없을 경우, 다시 가전자대로 내려옴
B) X-ray 분광분석을 통해 2 종류 CdS NP의 구조분석; CdS-NP-1은 cubic 구조를 가지며 CdS-NP-2는 hexagonal 구조를 가짐.
C) 광흡수파장을 분석하여 2 종류 CdS NP의 band gap 에너지 분석; CdS-NP-1은 2.62 eV (파란색 파장), CdS-NP-2는 2.36 eV (초록색 파장)의 에너지를 가진 빛을 흡수하여 광전도효과를 유도할 수 있음.
D) 광전도효과 비교를 위한 congo-red 염료를 사용한 광분해실험 개요; CdS NP에 빛처리시 라디칼(O2-, ·OH) 물질이 생성되고, 이러한 라디칼들은 붉은 색의 congo-red 염료를 분해한다. 이러한 분해정도를 비교하여 2 종류의 CdS NPs의 광전도효과 성능을 비교
E) Congo-red를 활용한 2 종류 CdS NP의 광분해능 비교; Congo-red를 사용하여 CdS-NP-1과 CdS-NP-2의 광전도능을 비교한 결과 CdS-NP-1의 분해능이 높기에, 보다 효율적인 CdS-NP-1 광나노입자로 선택.

 

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그림 3. CdS-NP-1을 부착한 아세토젠 미생물의 C1 가스 고정능 확인:
A) 광나노입자 부착 아세토젠 미생물의 전자현미경 사진; CdS-NP-1을 아세토젠 미생물 중 하나인 Clostridium autoethanogenum (C. autoethanogenum)의 표면에 부착하고 이를 전자현미경으로 관찰.
B) 광나노입자 부착 미생물의 성장유무 확인; CdS-NP-1을 부착한 C. autoethanogenum 균주 (CdS-CA)의 성장유무를 한천배지 위에 생성된 colony 수로 비교.
C) 광나노입자 부착 미생물의 아세트산 생성 확인; CdS-CA 균주의 빛과 이산화탄소 조건에서 아세트산 생성을 확인.
D) CdS NP 유무에 따른 미생물 배지의 산화환원전위 변화; CdS NP의 유무에 따라 미생물 배지의 산화환원 성장조건 변화를 비교. 성장조건의 변화로 대사흐름의 변화가 유도되었을 것.

 

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그림 4. CdS-CA 조건에서의 전사체 분석을 통해 전자전달과정 이해:
A) 금속이온 기반 외부전자의 세포 내 전달 과정; 전이금속 계열의 금속이온이 빛 처리 조건에서 광나노입자로부터 생성된 전자를 받아 세포 내로 전달하거나 혹은 산화된 광나노입자에 전자를 전달하여 광나노입자를 재생가능.
B) Flavin 조효소 기반 외부전자의 세포 내 전달 과정; Flavin 조효소 혹은 이와 결합한 단백질이 빛 처리 조건에서 광나노입자로부터 생성된 전자를 받아 세포 내로 전달.
C) 미생물의 세포막 단백질을 통한 외부전자의 세포 내 전달과정; 미생물의 세포막에 위치한 막단백질들이 광나노입자와 결합하고, 빛 처리 조건에서 광나노입자로부터 생성된 전자를 받아 세포 내로 전달.

 

 

 

 

 

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