KAIST, 탄소중립 인공광합성 기술 개발
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KAIST, 탄소중립 인공광합성 기술 개발
  • 송윤영 기자
  • yaho1130@hanmail.net
  • 승인 2021.03.09 13:00
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조병관 교수팀, 광 나노입자 부착 미생물을 활용한 친환경 C1 가스 전환 기술 개발
(사진제공=KAIST) 생명과학과 조병관 교수
(사진제공=KAIST) 생명과학과 조병관 교수

(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST는 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. 

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.
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.
그림 2. 화학적 합성을 통해 확보한 광나노입자의 물리적 특성 비교: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 내려옴B) X-ray 분광분석을 통해 2 종류 CdS NP의 구조분석; CdS-NP-1은 cubic 구조를 가지며 CdS-NP-2는 hexagonal 구조를 가짐C) 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 비교E) 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
그림 2. 화학적 합성을 통해 확보한 광나노입자의 물리적 특성 비교: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 내려옴B) X-ray 분광분석을 통해 2 종류 CdS NP의 구조분석; CdS-NP-1은 cubic 구조를 가지며 CdS-NP-2는 hexagonal 구조를 가짐C) 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 비교E) 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
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 관찰B) 광나노입자 부착 미생물의 성장유무 확인; CdS-NP-1을 부착한 C. autoethanogenum 균주 (CdS-CA)의 성장유무를 한천배지 위에 생성된 colony 수로 비교C) 광나노입자 부착 미생물의 아세트산 생성 확인; CdS-CA 균주의 빛과 이산화탄소 조건에서 아세트산 생성을 확인D) CdS NP 유무에 따른 미생물 배지의 산화환원전위 변화; CdS NP의 유무에 따라 미생물 배지의 산화환원 성장조건 변화를 비교. 성장조건의 변화로 대사흐름의 변화가 유도되었을 것
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 관찰B) 광나노입자 부착 미생물의 성장유무 확인; CdS-NP-1을 부착한 C. autoethanogenum 균주 (CdS-CA)의 성장유무를 한천배지 위에 생성된 colony 수로 비교C) 광나노입자 부착 미생물의 아세트산 생성 확인; CdS-CA 균주의 빛과 이산화탄소 조건에서 아세트산 생성을 확인D) CdS NP 유무에 따른 미생물 배지의 산화환원전위 변화; CdS NP의 유무에 따라 미생물 배지의 산화환원 성장조건 변화를 비교. 성장조건의 변화로 대사흐름의 변화가 유도되었을 것
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.
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.

□ 연구개요

1. 연구 배경
● 화석연료나 바이오매스 또는 폐기물 등의 가스화 과정에서 발생하는 온실가스 또는 합성가스, 다양한 산업공정과정에서 발생하는 부생가스들은 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄 등의 탄소 1개로 구성된 C1 가스로, 이러한 가스는 온실효과, 환경오염 등의 범지구적인 기후환경 변화를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 전 세계 각국은 C1 가스의 리파이너리 기술개발에 박차를 가하고 있으며, 우리 정부도 2050 탄소중립을 선언하고 관련 원천기술 확보를 위한 정부차원의 지원을 약속하였다.
● 아세토젠 미생물은 우드-융달 대사회로를 통해 이산화탄소, 일산화탄소와 같은 C1 가스를 아세트산으로 전환할 수 있어, 바이오촉매로서 잠재력이 매우 높다. 
● C1 가스 고정과정에는 많은 환원에너지가 필요로 하며, 아세토젠 미생물은 이러한 에너지를 값비싼 수소가스나 당으로부터 얻기 때문에, 배양과정이 복잡하고, 바이오케미컬의 가격경쟁력에 있어 매우 불리하다. 
● 값비싼 수소나 당 사용을 대체하기 위해, 전극표면에 아세토젠 미생물을 부착시켜 보다 저렴한 전기에너지를 활용하여 C1 가스 고정과정에 필요한 환원에너지를 공급하고자 하였고, 나아가 광전극을 이용하여 빛에너지로부터 전자를 생성하여 미생물로 전달할 수 있는 시스템이 고안되었다. 하지만, 이러한 방법은 전극표면의 제한된 면적에 부착할 수 있는 미생물 세포 수의 한계가 존재하며, 미생물 세포 수가 증가할 경우 전기에너지 전달효율이 떨어지고, 제한된 미생물 수로 인해 바이오케미컬의 생산성이 떨어지는 등의 한계가 있다.
● 이러한 한계를 극복하기 위해, 연구팀은 광나노입자에 주목하였다. 광나노입자는 빛을 받아 전자를 내놓을 수 있는 나노 크기의 개별 광전극으로 몇몇 광나노입자들은 미생물을 활용하여 생합성이 가능하고 미생물 표면에 부착이 가능함이 밝혀졌다. 이러한 나노-바이오 하이브리드 시스템은 미생물의 성장에 따른 세포 수 증가와 상관없이 일정한 접촉면적을 유지할 수 있기에, 전기에너지 전달효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
● 하지만, 이러한 광나노입자를 미생물로 하여금 합성시킬 경우, 미생물 성장을 저해할 뿐만 아니라, 광나노입자의 구조와 크기, 성분 등의 물리적 특성을 제어할 수 없다는 한계가 있다. 마지막으로, 전극 또는 광나노입자에서 생성된 외부 전자가 아세토젠 미생물 내로 전달되는 메커니즘은 아직 정확히 밝혀지지 않아, 인공광합성 시스템의 효율 증대에 한계가 있다.

2. 연구 내용
▶ 화학적 방법을 통해 효율적인 광나노입자 합성 및 선별
● 본 연구진은 광나노입자 중 하나인 Cadmium sulfide nanoparticle (CdS NP)를 다양한 크기와 구조를 가지도록 여러 화학적 방법을 통해 합성하였다.
● 합성한 CdS NP에 대해 크기와 구조, band gap energy를 분석하여 각각의 광나노입자의 특성을 규명하였다.
● 라디칼에 의해 분해되는 congo-red 염료를 활용한 광분해실험을 통해 각 광나노입자들의 광전효과를 비교분석하여 효율이 좋은 CdS NP를 선별하였다.
▶ 광나노입자를 아세토젠 미생물 표면에 부착하여 인공광합성 시스템 구축
● 외부에서 합성한 고효율 CdS NP를 아세토젠 중 하나인 Clostridium autoethanogenum (C. autoethanogenum)의 표면에 부착하여 인공광합성 시스템을 구축하였다.
● 광나노입자 CdS가 부착된 C. autoethanogenum (CdS-CA)가 빛 처리 조건에서 이산화탄소로부터 아세트산을 생성하고, 에너지를 얻어 미생물 성장이 가능함을 입증하였다.
▶ CdS-CA의 전사체 분석을 통해 광나노입자로부터 생성된 전자의 전달과정을 이해
● 빛 처리 조건에서 CdS-CA 미생물의 전사체 분석을 통해 수소 조건 대비 유의미하게 변화하는 모든 유전자들을 규명하였고, 이들 유전자들의 특징과 암호화하는 단백질의 기능을 분류하였다.
● 유의미하게 변화하는 유전자들 중 미생물 내 에너지 대사과정에 관련된 유전자들을 분석한 결과, metal ion과 flavin 조효소와 결합하는 단백질들의 전사수준이 증가한 것을 관찰하였다. 
● 철이온과 flavin 조효소를 CdS-CA 성장환경에 추가로 처리한 경우, 아세트산 생성이 증가함을 확인하였고, congo-red 활용 광분해실험을 통해 이들 조효소들이 CdS로부터 생성된 전자를 세포 내로 전달하는 매개체 역할을 할 것임을 입증하였다.

3. 기대 효과
● 본 연구팀은 광나노입자를 아세토젠 미생물 표면에 부착시켜 친환경 재생에너지인 빛을 이용하여 C1 가스를 효율적으로 고정할 수 있는 미생물 기반의 인공광합성 시스템을 구축하였다.
● 이번 연구에서 구축한 인공광합성 시스템은 광나노입자의 크기, 구조, 성분 등의 물리적 특징을 사용자의 목적에 맞게 선택할 수 있으며, 미생물로는 합성이 불가능한 다차원의 나노입자를 미생물에 접목시킬 경우 인공광합성 효율을 증대시킬 수 있음을 보여준다.
● 이번 연구에서는 전사체 분석을 통해 미생물 내 여러 조효소들이 광나노입자에서 생성된 전자를 미생물로 전달할 수 있음을 밝혔고, 해당 과정에 관련된 많은 유전자들을 규명하였다. 이 후, 후속연구들을 통해 아세토젠 미생물의 유전자 편집, 성장배지의 성분 조정 등을 통한 미생물 개량을 바탕으로 인공광합성 효율을 보다 증대시킬 수 있을 것이며, 보다 고부가가치 물질 생산 회로를 도입할 경우 다양한 물질을 빛에너지와 C1 가스를 통해 생산할 수 있을 것이라 기대한다.
 


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