【신기술 2】 이산화탄소를 수소 저장물질로 전환

편집부 기자
입력 2022.11.15 00:00

이산화탄소를 수소 저장물질로 전환

이산화탄소 환원해 개미산 생산하는 신규 효소 발굴

석유정제를 기반으로 한 석유화학 산업의 발달로 인류의 삶은 풍요로워졌지만 이에 따라 대기오염, 기후변화 등 각종 환경문제를 야기하고 있다. 이에 따라 연구의 관심과 노력은 이산화탄소를 유용하고 재생 가능한 자원으로 바꾸는 방향으로 초점이 맞춰지고 있다. 이에 국내 연구진은 탄소중립 실현을 위해 이산화탄소를 환원해 수소 저장물질인 개미산을 생산할 수 있는 신규 효소 발굴 및 특성 분석을 성공적으로 이뤄냈다. 이번 신기술에서는 국내 연구진이 이산화탄소로부터 개미산을 생산하는 새로운 효소를 발굴하는 데 성공한 사례를 살펴보고자 한다.

글 최종숙 기자

자료 한국에너지연구원(KIER)

개미산은 개미에서 발견된 천연물질로 세균 억제와 수소이온지수를 조절하는 효과를 가져 식품 가공이나 보존제, 제설제 등 여러 산업에서 다양하게 사용되고 있다. 특히 최근에는 수소를 저장하는 물질로, 대형 특수용기가 아닌 제3의 물질과 결합해 저장·수송하는 LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)의 활용에도 주목받고 있다.

유전체 마이닝 통한 효소 발굴 기술

한국에너지기술연구원은 광주친환경에너지연구센터 민경선 박사 연구진이 이산화탄소로부터 수소저장물질인 개미산(formic acid)을 생산하는 새로운 효소를 발굴하는 데 성공했다고 밝혔다. 효소는 생체 내에서 일어나는 화학 반응의 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응물인 기질을 생성물인 다른 분자로 전환하는 반응 속도를 증가시키는 생촉매다.

연구진이 이산화탄소 반응 실험을 준비하는 모습

개미산을 생산하는 방식 중 화석연료의 열화학 반응에 의한 생산은 이산화탄소가 발생하며, 이산화탄소 전기화학 반응은 성능향상과 내구성 확보가 필요하다. 이에 비해 자연계에 존재하는 이산화탄소 환원 효소 기반의 개미산 생산방식은 이산화탄소를 직접 활용이 가능하며 부산물 없이 100 % 개미산만 선택적으로 생산할 수 있다. 하지만 지금까지 자연계에 존재하는 이산화탄소 환원 효소는 15종에 불과할 정도로 매우 적다. 이에 연구진은 유전자 데이터베이스 기반 유전체 마이닝(genome-mining)을 통해 이산화탄소를 개미산으로 저장하는 신규 이산화탄소 환원 효소를 발굴해 산업 부생가스 등의 온실가스로부터 수소 저장 물질을 생산하는 새로운 바이오 공정 구축을 위한 원천 기술을 개발했다.1)

연구진은 기존 활성이 알려진 이산화탄소 환원 효소의 단백질 서열을 분석해 유전자 데이터베이스에서 서열과 유사도를 분석하고 활성 부위 구조를 예측 및 분석해 신규 이산화탄소 환원 효소를 발굴했다. 발굴된 효소로 이산화탄소 환원 활성 및 반응 특성을 분석해 이산화탄소로부터 수소 저장 물질인 개미산을 생산하는 효소 반응 시스템을 구축했다.

기술의 개념도

새롭게 발굴한 3종의 이산화탄소 환원 효소는 재조합 단백질 발현 시스템을 통해 대량 생산이 가능하고, 이산화탄소로부터 수소 저장 물질로 활용할 수 있는 개미산을 생산할 수 있어 이산화탄소 자원화를 통한 고부가물질 생산에 핵심이 되는 원천 기술이다. 재조합 단백질 발현 시스템은 원하는 단백질을 대량 생산하기 위해서, 단백질에 해당하는 유전자를 대장균 등 외래 균주에 도입해 생산하는 시스템이다. 즉 이번 연구는 기존 자연계에 존재하는 것으로 알려진 이산화탄소 환원 효소가 20종 미만인 것을 고려했을 때, 다양한 균주에서 유래한 이산화탄소 환원 효소를 발굴해 이산화탄소 환원 효소 풀(pool)을 확장함과 동시에 생촉매 기반 이산화탄소 자원화에 기여할 수 있는 원천 기술 개발인 것이다.

또한 생촉매인 효소는 이산화탄소로부터 개미산을 생산하는 기존 경쟁 기술인 전기화학적 전환, 화학 촉매 전환 기술에 비해 반응온도와 에너지 요구량이 적어 친환경 저에너지공정 개발이 가능하다. 또한 기존에는 귀금속 촉매를 이용했어야 했지만, 이번 기술은 재조합 효소를 이용한다. 이뿐만 아니라 높은 기질특이성을 기반으로 일산화탄소 등의 부산물 없이 100 % 선택성으로 개미산을 생산할 수 있는 장점이 있다.

연구진이 효소 활성 측정 하는 모습

이처럼 연구진이 개발한 기술은 이산화탄소를 이용해 수소 저장물질 생산과 온실가스 저감을 동시에 달성할 수 있는 새로운 길을 열었다. 더불어 이번 연구는 그동안 자연계에서 찾기 어려웠던 효소를 유전자 데이터베이스 기반 유전체 마이닝을 통해 발굴하고 활성을 확인해, 이산화탄소 자원화 생촉매의 풀(pool)을 확장했다는 점에서도 매우 큰 의미가 있다.

연구책임자인 민경선 박사는 “유전자와 구조 정보는 그동안 자연계에서 찾기 어려웠던 활성을 찾아내는 데 아주 중요한 기술”이라며 “이산화탄소를 직접 활용해 에너지 저장 물질로 전환할 수 있는 효소 기반 생물 공정 개발 연구는 이산화탄소 자원화를 통한 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

1) 이번 연구는 한국에너지기술연구원의 기본사업과 과학기술정보통신부 집단연구사업의 일환으로 수행됐다. 논문 제목은 ‘Newly explored formate dehydrogenase from Clostridium species catalyze carbon dioxide to formate’이다. 이번 연구결과는 저명 학술지인 ‘바이오리소스 테크놀로지(Bioresource Technology)’에 게재됐다.