2022. 4. 12. 11:43ㆍ카테고리 없음
시람 피부에 '멜라닌' 색소 대신에 '클로로필'을 가지고 있다면,
사람도 음식물로 동식물을 잡아먹지 않고
식물처럼 피부에서 광합성으로 탄수화물을 생성하여 살아 갈 수 있을 것이다.
이러한 가운데 KAIST 신소재공학과 박찬범 교수팀이
효소반응과 태양전지 기술을 접목해 <자연광합성>을 모방한
<인공광합성> 시스템 개발에 성공했다.
이 기술은 태양에너지를 이용해 생산해 내는
<녹색생물공장> 개발의 중요한 기술이 될 전망이다.
(사진) <자연엽록체> 확대.
(사진) <자연엽록채>의 집광 시스템.
(사진) <인공엽록체>의 집광 시스템(MIT 대니얼 노세라 교수 팀 제작).
<자연광합성을 모방한 인공광합성>
그 원리는 무엇일까?
지구상의 모든 생물은 생존을 위해 에너지를 필요로 한다.
먹이사슬의 상위단계에 있는 개체는 하위단계의 개체로부터 에너지를 얻는다.
식물은 먹이사슬의 가장 아래에 있지만
지구상에서 스스로 에너지를 생산할 수 있는 유일한 생물이 식물들이다.
식물은 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 생물의 에너지원인 탄수화물을 생산한다.
이것이 우리가 알고 있는 <광합성>이다.
<광합성>은 지구상의 모든 생명현상 중에서
가장 기초적인 생명에너지 생성 방법으로
경이롭고 중요한 근본현상이다.
식물은 어떻게 <광합성>을 할 수 있을까?
<광합성>은 크게 '명반응'과 '암반응'으로 구성돼어 있다.
'명반응'은 엽록소와 효소 등으로 이루어진 엽록체에서 일어난다.
엽록소는 태양빛을 흡수하면 에너지적으로 들뜬 상태가 된다.
이 들뜬 에너지는 주변으로 높은 에너지의 전자를 전달해 일련의 화학반응을 일으키게 한다.
이러한 화학반응을 통해 식물은 물을 분해해 수소(H2)와 산소(O2)를 생성시킨다.
수소(H)는 화학반응의 에너지원인 ATP와 NAD(P)H를 만드는데 쓰게 되고
산소(O)는 대기로 방출시킨다.
이렇게 생성된 ATP와 NADPH는 '암반응' 과정(캘빈회로, calvin cycle)을 통해
이산화탄소(CO2)로부터 탄수화물을 합성하는데 이용된다.
<효소반응을 이용한 인공광합성>
박찬범 교수팀이 개발한 인공광합성 기술은
태양전지 기술을 이용해 NAD(P)+로부터 NAD(P)H를 재생시키는
자연광합성의 '명반응'을 모방했다.
또 '암반응' 과정을 산화환원효소로 대체해 효소반응을 이용했다.
효소는 단백질로 이루어진 생체촉매를 일컫는 말로,
기존에 산업적으로 사용되는 촉매와는 달리 상온, 상압, 중성 pH의 온화한 조건하에서
부산물의 생성 없이 특정 화학물질만 선택적으로 합성할 수 있다는 장점이 있다.
다양한 효소 중에서 산화환원 효소는
특히 기존의 촉매로는 거의 불가능한 광학이성질체나
신약원료물질의 합성이 가능해 정밀화학물질이나
신약 산업으로 활용할 수 있을 것으로 기대돼 왔다.
일례로 산화환원효소를 이용하면
당뇨병 치료제나 에이즈 치료제의 원료물질 등을 생산할 수 있다.
그러나 산화환원효소를 실제 산업적으로 활용한 예는 극히 드문 실정이다.
이는 산화환원효소의 촉매반응이 NAD(P)H와 같이 1g당 수백만 원을 호가하는
고가의 보조인자를 소모하기 때문이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 KAIST 연구팀은 NAD(P)+로부터 NADPH를 재생하는
<자연광합성>의 '명반응'과 염료감응 태양전지의 유사성에 주목했다[아래 그림].
<광합성>에서는 엽록소가 가시광선을 흡수해 들뜬 상태가 되면
고에너지의 전자를 주변에 전달해 NAD(P)+로부터 NADPH를 재생한다.
(사진) <자연광합성>과 염료감응 태양전지의 유사성을 이용해 개발한 <인공광합성> 기술.
(사진) <자연광합성>을 통한 탄수화물 생산.
(사진) 염료감응 태양전지.
<생체촉매기반 인공광합성을 통한 정밀화학물질 생산>
이와 유사하게 염료감응 태양전지에서는
황화카드뮴(CdS) 양자점과 같은 염료가 가시광선을 흡수해
들뜬 상태가 되면
고에너지의 전자를 주변의 산화티타늄(TiO2)에 전달해 전기를 생산하게 된다.
연구팀은 이러한 유사성에 착안,
염료감응 태양전지를 이용해 전기를 생산하는 대신에
NAD(P)+로부터 NAD(P)H를 재생하는데 성공했다.
더 나아가 재생된 NAD(P)H를 산화환원효소 반응과 연결시켜
고부가가치의 정밀 화학물질을 생산하는 <인공광합성>기술을 개발해냈다.
이렇듯 <잉공광합성>기술은 '염료감응 태양전지 기술'을 이용해
<자연광합성> 기술을 모방했다는 점이다.
'염료감응 태양전지 기술' 역시 자연현상을 모방해 개발된 기술이라는 점이다.
결국 모방을 통해 새로운 기술을 개발하고 발전시킬 수 있었다. ‘
<모방은 창조의 어머니>
이 <인공광합성> 기술을 실제 산업에 적용하기 위해서는
광반응 효율성 향상,
생체물질인 효소의 안정성 향상 등 해결해야 할 문제가 아직 남아있다.
하지만 무한 에너지원인 태양광을 이용해 신약원료물질,
광학이성질체와 같은 고부가가치의 정밀화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있다는 점에서
그 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다.
<전 세계적으로 인공광합성 연구 ‘열풍’>
<인공광합성>기술은 국내뿐 아니라 전 세계적으로도 활발한 개발이 진행되고 있다.
미국은 2010년부터 5년간 1억 달러 이상을
캘리포니아 공과대학, 버클리대, MIT의 우수연구자로 구성된 인공광합성 연구센터에 지원한다.
우리나라도 2009년부터 10년간 정부지원금 500억원을
서강대 인공광합성 연구센터에 지원하고 있다.
이들 연구센터는 빛에너지를 이용해
물(H2O)과 이산화탄소(C02)로부터
수소(H2)와 메탄올(CH3-OH)과 같은 청정연료를 생산하는 연구를 진행하고 있다.
멀지않아 세계 곳곳에서 <인공광합성>을 통한
청정에너지가 사용되기 시작한다는 소식이 들려오길 기대해본다.
(자료) KAIST 신소재공학과 박사후 연구원 유정기.