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【신기술 1】 고부가가치 화합물과 에너지 생산하는 인공광합성
2022-05-01

고부가가치 화합물과 에너지 생산하는 인공광합성
광합성으로 버려지는 물질을 유용한 화합물로…에너지까지 생산

광합성은 자연에 존재하는 가장 효율적인 에너지 변환 과정이다. 흡수된 빛으로 물을 분해해 수소이온, 산소,  그리고 높은 에너지를 갖는 광합성 전자가 생성된다. 이러한 특징을 이용해 최근 인공광합성 관련 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 인공광 합성 연구는 크게 에너지를 생산하는 기술과 부가가치가 높은 화합물로 만드는 기술 관련 연구로 나눠진다. 이번 호에서는 식물의 20~30 %를 차지하는 주요 구성성분인 리그닌의 광촉매를 이용한 화합물 생성 연구를 비롯해 C1 가스를 바이오화학물질로 전환하는 연구, 그 밖에 광합성을 이용해 에너지로 변환시키는 연구 사례들을 살펴보고자 한다.

정리 최종숙 기자 자료 한국과학기술원(KAIST), 울산과학기술원(UNIST), 한국연구재단

리그닌으로 잡은 두 마리 토끼
한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 박찬범 교수 연구팀이 식물의 주요 구성성분인 리그닌의 광촉매 특성을 규명함과 동시에 광 촉매반응과 산화환원 효소 반응을 접목해 태양광으로 고부가가치 화합물을 생성하는 인공광합성을 해냈다.

리그닌은 지구에서 두 번째로 많은 바이오폴리머이자, 식물 목질부를 형성하는 주요 물질로 셀룰로오스 다음으로 풍부한 성분이다. 주로 식물을 지지, 보호하는 구조체 역할을 하며, 세포벽 형성, 물 수송, 씨앗 보호 및 스트레스 적응을 담당한다. 목재 산업에서는 이 리그닌이 부산물로 대량 배출되는데, 무려 연간 5천만 톤에 달한다. 그러나 세 가지 페닐프로파노이드 단위체(phenylpropanoid unit)로 이루어져 있는 리그닌은 분자구조가 상당히 복잡한 까닭에 활용이 어려워 95%이상 소각되거나 폐기되고 있다. 이 한계를 극복하고자 리그닌에서 방향족 화합물(aromatic compound)을 추출하거나, 에너지나 환경 분야에서 연구가 여러 곳에서 진행되고 있다.

KAIST 연구팀은 이러한 기존의 리그닌 활용 방식에서 벗어나고자 했다. 그리고 리그닌이 일반적인 광촉매들이 갖는 작용기를 보유하고 있음을 주목해 리그닌이 광촉매 반응을 수행할 수 있을 것이라는 가설을 세웠다. 그리고 연구팀은 리그닌이 태양의 가시광선을 흡수해 빛에너지, 산소, 물을 이용해 친환경적으로 과산화수소를 생성한다는 것을 입증했다.

리그닌으로 얻은 과산화수소를 통해서는 거울상 특이적 옥시기능화 반응(enantiospecific oxyfunctionalization reaction)을 수행할 수 있다는 것도 밝혀냈다. 또한 분광학적 및 (광)전기화학적 분석을 통해 리그닌이 열역학적으로 해당 광산화환원 반응(photoredox reaction)을 일으킬 수 있다는 것을 확인했다.1)

일반적으로 광촉매는 과산화수소를 생성할 때 희생 전자 공여체(sacrificial electron donor, 예: 알코올, 포름산, 글루코스)를 필요로 하기 때문에 과산화수소를 생성하는 광 촉매반응은 원자 경제성이 낮고, 바람직하지 않은 부산물이 축적된다는 한계가 있었다. 하지만, 리그닌은 희생 전자 공여체 없이 합성할 수 있어 높은 원자 경제성(94.4 %)을 보여주며, 부산물 축적 문제도 비교적 적다.

연구팀은 더 나아가 가시광선을 흡수하는 리그닌의 광촉매반응을 퍼옥시게나아제 효소 반응에 응용했다. 퍼옥시게나아제는 유기합성에서 상당히 중요한 선택적 옥시 기능화 반응을 유도할 수 있는 효소로, 과산화수소를 필수적으로 요구한다. 하지만 고농도의 과산화수소에 의해 비활성화된다는 단점이 있다. 이 문제를 극복하기 위해 연구팀은 리그닌이 광화학적으로 과산화수소를 적절한 속도로 생성하도록 설계해 퍼옥시게나 아제가 지속해서 옥시 기능화 반응을 수행하도록 만드는 데 성공했다.

더불어 광효소적 플랫폼에서 세계 최고 효소의 총회전수를 기록했다. 본 연구는 리그닌을 연료 및 화합물 생성에 적합한 광촉매라는 것을 입증했고, 폐기물로부터 부를 창출할 수 있는 예를 제시했다. 이에 연구진은 본 연구를 통해 향후, 산업적으로 유용한 키랄성 화합물, 의약물질 중간체 등 정밀화학제품을 합성할 수 있기에 산업적 파급효과가 클 것 기대된다고 밝혔다.

미생물로 친환경 C1 가스 전환
2021년 3월 9일 KAIST는 생명과학과 조병관 교수 연구팀이 기후변화의 주범인 ‘C1 가스’를 고부가가치 바이오화학물질로 전환하는 기술을 개발했다고 발표한 바 있다. 광 나노입자가 빛을 받으면 내놓는 전자를 미생물이 에너지원으로 이용할 수 있도록 고효율 광 나노입자가 표면에 부착된 ‘미생물-광 나노입자 인공광합성 시스템’을 개발한 것이다.2)

C1 가스는 탄소 1개로 구성된 가스를 통칭하는 개념으로, 석연료나 바이오매스, 폐기물 등의 가스화 과정에서 발생하는 온실가스나 합성가스, 산업공정 과정에서 발생하는 부생가스들은 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄 등의 가스를 일컫는다. 즉 온실효과, 환경오염 등의 범지구적인 기후환경 변화를 야기하는 가스들의 총합이라고 볼 수 있다. 이러한 C1 가스 문제를 해결하기 위해, 전 세계 각국은 C1 가스의 리파이너리 기술개발에 전념하고 있다.

KAIST의 해당 연구에 활용된 미생물은 아세토젠으로, 우드-융달 대사회로를 통해 C1 가스를 아세트산으로 전환할 수 있어, 바이오촉매로서 잠재력이 매우 높다. 아세토젠 미생물은 C1 가스 대사를 위한 환원 에너지를 값비싼 당이나 수소를 분해해 얻는데, 이를 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 빛을 받아 전자를 내놓을 수 있는 나노 크기의 개별 광전극인 광 나노입자에 주목했다. 구조와 크기가 균일하고 우수한 광전도효과를 나타내는 고효율 광 나노입자를 화학적 방법으로 합성하고, 산업적으로 활용할 수 있는 아세토젠 미생물 중 하나인 ‘클로스트리디움 오토에타노게놈’(Clostridium autoethanogenum)의 표면에 부착시켰다.

이로써 연구팀은 광 나노입자를 부착한 미생물이 C1가스로부터 아세트산을 생산할 수 있음을 입증해 빛을 이용한 친환경 인공광합성 시스템을 구축했다. 또한 세포 내 모든 RNA를 분석해 유전자 발현 유무를 규명하는 기술인 ‘전사체 분석’으로 미생물을 분석해 광 나노입자로부터 생성된 전자가 미생물 내로 전달되기 위한 전자수용체를 규명해냈다.

연구를 주도한 조병관 교수는 이번 연구에 대해 “고효율 광 나노입자를 사용해 인공광합성 효율을 증대시킬 수 있고, 광 나노입자로부터 생성된 전자를 효율적으로 수용할 수 있는 인공미생물 개발연구에 실마리를 제공했다”고 의의를 설명했다.

광합성으로 전지효율 향상까지
지난 2월 27일 울산과학기술원(UNIST)에서는 식물 광합성 방식처럼 염료3)가 태양빛을 흡수해 만든 전자를 손실 없이 전극에 전달할 수 있는 새로운 염료분자 디자인 전략을 밝혔다. 염료를 이용한 염료감응 태양전지는 기존보다 최대 60% 이상 향상된 효율을 보였다고 한다. UNIST의 화학과 권태혁·권오훈 교수팀은 기존 염료 분자의 도너-억셉터 분자구조에 새로운 화학 구조(분자 유닛)를 추가해 식물 광합성의 전자전달 방식을 모방할 수 있는 염료를 개발했다고 밝혔다.4)

해당 염료는 분자 유닛 간 강한 상호작용(electronic coupling)과 약한 상호작용을 모두 가졌다는 특성이 있다. 강한 상호작용은 분자 내에서 전자를 빠르게 전달한다는 장점이 있지만 전자(-)와 정공(+) 재결합도 빠르다는 단점이 있다. 그래서 약한 상호작용을 추가로 형성함으로 인해 강한 상호작용의 장점을 살리면서도 재결합 손실을 줄일 수 있는 것이다.

이를 통해 해당 태양 전지는 최대 10.8 %의 효율을 기록했으며, 이는 염료 분자 내 상호작용을 조절하지 않는 태양전지 대비 60 %이상 향상된 수치다. 또 연구팀은 이러한 결과를 순간 흡수 분광분석으로도 정량화했다. 태양전지 내 전하 이동(전자, 정공 이동) 속도를 10~13초부터 10-1초까지 나눠 분석한 결과 이 염료는 전자를 빠르게 전달하면서도 전자와 정공의 재결합은 기존의 1/8 수준으로 억제하는 것을 확인했다. 이는 식물 광합성에서 전자를 한 방향으로 전달하는 특성과 유사하다.

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1) 이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업(창의연구), 한국연구재단 글로벌박사 양성사업 등의 지원으로 진행됐다. KAIST 신소재공학과 김진현 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 <네이처 신세시스>(Nature Synthesis) 3월호 표지논문으로 출판됐다. 논문 제목은 “Lignin as a Multifunctional Photocatalyst for Solar-Powered Biocatalytic Oxyfunctionalization of C-H Bonds”이다.

2) KAIST 생명과학과 진상락 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 <미국국립과학원회보>(Proceedings of National Academy of Science, PNAS)에 2021년 2월 23일자 온라인판에 게재됐다. 논문 제목은 “Acetogenic bacteria utilize light-driven electrons as an energy source for autotrophic growth이다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1 가스 리파이너리 사업단 및 지능형바이오시스템 설계 및 합성연구단(글로벌프론티어사업)의 지원을 받아 진행됐다.

3) 염료: 햇빛을 받아 전자를 만들 수 있도록 설계된 인공색소. 엽록소가 햇빛을 흡수해 만든 들뜬 전자로 식물 광합성이 일어나듯, 염료가 만든 전자를 전극으로 전달해 전기를 만들 수 있다. 이 원리를 쓴 전지가 염료감응 태양전지다.

4) 해당 연구는 일본 신슈(Shinshu)대학교 쇼고 모리(Shogo Mori) 교수팀과 공동으로 UNIST의 노덕호 석박통합과정 대학원생, 박준혁 박사, 한현규 박사과정 대학원생, 김예진 박사가 공동 1저자로 참여했으며, <켐>(Chem)에 지난 2월 16일자로 온라인에 공개됐다. 논문 제목은 “Molecular design strategy for realizing vectorial electron transfer in photoelectrodes”이다. 한편 연구는 한국연구재단(NRF)이 추진하는 ‘기후변화대응과제’와 울산과학기술원 등의 지원으로 이뤄졌다.

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