광합성에서 전기추출, 나노 전극 시스템 개발

신일영 기자
입력 2016.11.01 00:00

광합성에서 전기추출 나노 전극 시스템 개발

녹조류의 식물세포, 에너지 변환 기술로 활용 기대

미래창조과학부(장관 최양희)는 식물세포의 광합성과정에서 생성된 광합성전자를 추출하는 나노 전극 시스템을 개발하여 에너지 변환을 통해 전기추출 효율을 높인 방법을 개발했다고 밝혔다. 이 연구는 연세대학교 류원형 교수 연구팀이 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구) 및 글로벌 프론티어사업 지원으로 수행했으며, 류원형 교수(교신저자, 연세대 기계공학과)를 비롯, 김용재 석·박사 통합과정(공동 제1저자, 연세대 기계공학과), 김로현 석사(공동 제1저자, 연세대 기계공학과)가 미국 스탠포드 대학 식물학자 Arthur Grossman교수팀과 공동으로 연구 수행했다.

식물세포의 에너지 생산과정에 착안

식물세포는 광합성을 통해 태양광에너지를 100%에 가까운 효율의 전기화학적 에너지로 변환시킨다. 이와 같은 광합성과정의 높은 에너지변환 효율을 전기에너지 추출에 이용하기 위한 연구들이 그동안 진행되어 왔으며, 연구팀은 이전 연구에서 원자력현미경에 부착된 나노 전극을 식물세포 안으로 삽입하여 광합성과정 중 전류추출이 가능함을 보여준 바 있다. 그러나 그 대상이 단일 식물세포로 국한되어 있어 얻을 수 있는 전류량이 극히 적었으며, 실험조건이 까다로워 실용화에는 한계가 있었다.

다른 연구에서는 엽록체 내부의 구성 요소인 세포막(틸라코이드)이나 세포막에 있는 단백질인자인 광계와 같은 광합성인자를 통해 전류를 추출했다. 그러나 추출된 인자들은 광합성 기능이 점차 상실되어 장기간 전류 추출이 불가능했다. 또한, 전자를 전달하기 위한 추가적인 전기화학적 매개체가 필요하므로 전체 에너지 추출 효율이 떨어졌다. 이에 연구팀은 살아있는 다수의 조류세포 자체를 이용하여 광합성으로 발생한 전자를 추출하고, 광합성기능의 안정성도 도모하는 대면적화가 가능한 나노 전극시스템을 개발했다. 연구팀은 다수의 식물세포 안에 전극을 동시에 삽입하기 위해 실리콘기반의 나노 스케일 전극기판을 제작했다. 이곳에 다수의 식물세포를 삽입하면 나노 스케일의 전극 역시 동시에 삽입되어, 다수의 식물세포로부터 광합성전자를 일괄 추출할 수있다.

이는 향후 넓은 면적으로 제작된 전극을 이용한 대량광합성전자 추출시스템을 만들 수 있는 기반을 마련한 셈이다. 또한, 살아있는 세포 자체를 이용하기에 세포환경이 그대로 유지되어 추출과정 중 광합성 기능이 안정적으로 유지될 수 있다. 이는 초기 전류추출시 효율이 장시간 유지된다는 얘기다. 또한, 전기화학적 매개체가 별도로 필요하지 않아 전자추출 효율이 높아졌다.

녹조류, 에너지자원 활용 가능성 제시

환경문제 해결, 신재생에너지 분야 새 지평 기대

이번 연구는 식물 조류세포의 광합성과정에서 높은 효율로 전기에너지를 장시간 추출하는 것이 가능함을 보여주었다. 이번에 개발한 광합성전류의 추출시스템이 실용적 기술로 연결될 수 있음을 보여준 것이다.

특히 녹조현상과 같은 환경문제가 대두되고 있는 것을 감안하면, 이번 기술의 개발은 녹조류를 하나의 에너지자원으로 활용할 수 있는 새로운 해결책을 제시해 줄 것으로 기대된다 .빠르게 변성되는 추출 광합성인자의 한계점을 극복하기 위해 살아있는 식물세포 자체를 이용한 이번 기술은, 향후 바이오-태양광 하이브리드 기술로써 신재생에너지 분야의 새 지평을 열 수 있을 것으로 기대되고 있다.

[그림 1] 실리콘 기반 나노 전극 어레이 제작 공정 개발

다수의 식물 조류세포를 삽입하기 위한 기판으로 실리콘을 기반으로 한 나노 전극 어레이를 제작함. 실리콘 기판에 포토리소그라피 공정을 이용해 나노 입자가 들어갈 수 있는 PR 패턴을 제작하고, 실리카 나노 입자를 채워 넣어 배열된 나노 입자 어레이를 제작한다. 이어서 DRIE 공정과 후 공정을 통해 나노 전극 어레이를 제작한다.

류원형 교수는 “이번에 개발한 시스템은 최근 환경문제로 대두된 녹조류 세포를 이용한 새로운 개념의 바이오-태양광에너지 변환기술”이라며 “해당기술의 개발은 광합성 전류추출의 실용화 가능성을 보여준 연구이며, 나아가 새로운 바이오-태양광 하이브리드 에너지 변환기술로의 발전 가능성도 보여준다”고 이번 연구의 중요성과 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 재료공학 분야에서 세계적인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스 9월 14일자에 논문명( Patterned Nanowire Electrode Array for Direct Extraction of Photosynthetic Electrons from Multiple Living Algal Cells)로 게재됐다.

[그림 2] 나노 전극에 식물세포 삽입 및 광합성 전자 추출

식물세포를 제어하기 위한 방법으로 마이크로피펫에 음압을 인가하여 피펫 끝에 식물세포를 고정한다. 광학 현미경으로 실시간 관찰하면서 식물세포를 나노 전극에 물리적으로 삽입한 후, 광학 현미경 조명을 이용해 빛을 조사하고 전자 추출에 필요한 전압을 인가하면서 광합성에 의해 발생하는 전류를 측정한다.

[그림 3] 식물세포 3개의 순차적 삽입 및 다수와 단일세포의 광합성 전류 추출량 비교

위의 방법을 이용해 나노 전극 어레이에 순차적으로 3개의 식물세포를 삽입하고, 1개의 세포가 삽입되었을 경우와 3개가 모두 삽입되었을 경우의 광합성 전류 발생량 측정 및 비교.

용어설명

1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 (Advaced Functional Materials)誌

학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수(impact factor) 11.382의 전 과학 분야 및 재료논문 분야 최상위 학술지 중 하나.

2. 틸라코이드 막(Thylakoid membrane)

식물세포 안에 존재하는 막 형태의 기관이며, 틸라코이드 외부인 스트로마와 내부를 물리적으로 분리하는 역할을 한다. 광계를 포함하여 광합성을 담당하는 여러 단백질들을 포함하고 있다.

3. 광계(Photosystem)

식물세포 안에서 광합성을 담당하는 기관인 엽록체. 실제 광합성 기작이 일어나는 틸라코이드 막에 포함되어 있는 단백질 인자이다. 일반적으로 입사되는 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소를 분해하고, 그 결과물로 산소와 양성자, 전자를 생성한다. 광계에서 발생한 전자는 입사되는 빛 에너지를 받아 높은 에너지 상태로 여기되어 다음 광합성 사이클 분자로 이동한다.

4. 식물 조류세포(Algal cell)

일반적으로 수중에서 생활하며 동화색소를 가지고 독립영양생활을 하는 원생생물을 통틀어 일컫는다. 개중 식물 조류세포는 일반 식물세포와 같이 광합성을 할 수 있는 엽록체를 내부에 가지고 있으며, 수중에서 빛을 따라 이동할 수 있도록 유영이 가능한 더듬이를 가지고 있기도 하다.

5. 포텐시오스탯(Potentiostat)

광합성 전자 추출을 위해 구성한 시스템에서, 나노 전극에 전자를 추출할 수 있는 전압을 인가하는 동시에 전극을 통해 추출되는 전류를 측정할 수 있는 전기장치.

6. 패러데이 케이지(Faraday cage)

케이지 외부에서 들어오는 전자기파를 흡수하여 내부에 영향을 끼치지 않게 해주는 장치. 일반적으로 구리와 같은 금속선을 격자로 엮은 메쉬(Mesh)를 이용해 제작한다.