전자의 흐름 변화를 이용한 조류의 수소생산 개선

미세조류의 광합성 초기 단계에서 생산되는 전자의 흐름을 조절하고 수소 생산능력을 크게 향상시킬 수 있는 매우 고도화된 대사공학적 방법이 독일 연구팀에 의해 개발되었다.

수소는 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 친환경적인 연료로서 점점 많은 관심을 받고 있는 물질이다. 하지만 현재 수소는 주로 천연가스로부터 생산되고 있으며, 천연가스는 양의 탈을 쓴 늑대와 같은 입장이라고 영국 옥스퍼드대학(University of Oxford) 기업환경대학(Smith School of Enterprise and the Environment)의 Oliver Inderwildi는 밝혔다. 자연에 존재하는 미세조류(microalgae)는 햇빛으로부터 에너지를 수확함으로써 수소를 생산하게 되지만, 낮은 생산성은 실생활에 적용하는데 방해가 되고 있다. 유기체는 보통 생존에 필요한 탄화수소를 만들기 위해 자기가 생산해 내는 전자의 대부분을 사용한다.

이 분야에 대한 이전의 연구들은 탄화수소의 생산을 억제하는 방향에 초점을 맞추고 있었다. 하지만 이번에 막스플랑크 화학에너지변환연구소(Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion)의 Wolfgang Lubitz 등은 녹조류인 Chlamydomonas reinhardtii에서 햇빛에 의해 생성된 전자를 분배하는 역할을 하는 페레독신 단백질(ferredoxin protein)을 조작하여, 수소의 생산량을 향상시키면서도 유기체가 스스로 지지하는 수준은 유지할 수 있도록 하였다.

연구팀은 탄화수소 생산을 개시하는 효소와 상호작용을 하지만 두 개의 양성자를 이용해 수소분자를 생성하는 반응을 촉매하는 수소화 효소(hydrogenase )와는 상호작용 하지 않는 페레독신 내에 두 가지 아스파르트산(aspartic acid) 잔기(residue)가 존재함을 확인하였다. 페레독신 내의 대부분의 잔기들은 이런 효소 모두와 상호작용을 일으키거나 아예 상호작용을 하지 않는다. 이런 아스파르트산 잔류물을 알라닌(alanine)으로 대체함으로써, 페레독신이 탄화수소 효소에 부착되는 것을 억제하도록 하였다. 결과적으로 수소 생산량이 5배 증가하였다.

연구팀은 성공을 희망했지만, 이전에 알려진 바가 없었던 효소인식 기법을 사용해 이런 잔기들을 발견할 수 있을 것이라는 큰 기대는 없었다. Lubitz는 본 기술의 특수성으로 인해 이번 발견이 가능했다고 밝혔다. 이런 단백질 간의 상호작용을 관찰하기 위한 매우 특수한 방법으로 NMR을 사용한 실험이었다. 연구팀은 현재 다른 프로세스에 본 기술을 접목시킬 계획이다.

미국 유타대학의 생체전자촉매(bioelectrocatalysis) 전문가인 Shelley Minteer는, 본 연구결과는 조류 수소 생산에 대한 기대감을 높여주기에 충분하다고 평가하였다. 현재까지의 연구에서 조류는 의미 있는 정도의 충분한 양의 수소를 생산하지 못했다. 하지만 연료생산을 향상시키고 수소생산 추가 개선을 위한 기초를 마련했다는데 의미가 있다.

함께 연구를 수행했던 독일 보훔대학(Ruhr-University Bochum)의 관계자들은 현재 추가적인 최적화를 위해 연구를 진행하고 있으며, 상업적으로 유용한 양의 수소를 생산할 수 있는 유기체 개발에 몰두하고 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr