바이오인

□ 국내 연구진이 우리나라 담수 등의 고농도 산소환경에서 활성을 띠는 수소화효소*를 가진 수소생산 녹조류를 찾아냈다. 그간 알려진 수소생산 미생물은 대부분 산소가 거의 없는 환경에서만 수소를 만드는 것으로 알려져 있었다.

 

o 원핵생물**인 박테리아를 이용한 유산소 조건의 수소생산 연구 등 친환경적 수소생산 연구가 활발한 가운데 보다 고등한 형태의 진핵생물인 녹조류의 생태학적 중요성을 시사하는 이번 연구결과가 녹조류의 공학적 응용연구에 기여할 것으로 기대된다.

* 수소화효소(Hydrogenase, H2ase) : 미생물의 광합성 작용시 발생되는 proton (H+)을 합성하여 수소를 생산하는 효소

** 원핵생물(原核生物, prokaryote) : 핵산이 막으로 둘러싸이지 않은 원핵세포로 이루어진 생물로 대부분 단세포이다. 반면 핵산이 막으로 둘러싸인 핵을 가진 세포로 이루어진 다세포 생물 등을 진핵생물( 眞核生物, eukaryote)이라고 한다.

 

o 연세대학교 환경공학과 전병훈 교수가 주도하고 황재훈 박사(제1저자)등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈지(Nature Communications) 2월 4일자 온라인판에 게재되었다.( 논문명 : Photoautotrophic hydrogen production by eukaryotic microalgae under aerobic conditions )

 

□ 차세대 청정에너지로 꼽히는 수소를 친환경적으로 생산하기 위해 대사과정에서 수소를 발생시키는 미생물을 이용하려는 연구가 활발하다.

 

o 하지만 이들이 가지고 있는 수소화효소는 대부분 산소 농도 2% 이하일 때 활성을 띠는데 미생물이 광합성을 하면서 지속적으로 산소를 만들기 때문에 응용에 한계가 있었다.

 

□ 연구팀은 국내 호수나 늪 등 내륙에 고인 물에서 쉽게 볼 수 있는 광합성 녹조류에서 대기조건(21% 산소 농도)과 비슷한 고농도의 산소환경에서도 활성을 띠는 수소화효소를 규명했다.

 

o 미생물을 이용한 친환경적인 수소생산 연구가 활발한 가운데 녹조류에서 산소 내성을 지닌 수소화효소가 밝혀짐에 따라 녹조류의 공학적 응용연구에 기여할 것으로 기대된다.

 

□ 가스크로마토그래피를 이용해 산소 농도변화에 따라 이 녹조류가 만드는 수소량의 변화와 수소화효소의 활성 변화를 정밀 관측했다.

 

o 그 결과 녹조류가 성장하면서 광합성 등을 통해 만드는 산소농도를 21% 이하로 제어하면 극소량이지만 4일간 지속적으로 수소를 발생시킬 수 있었다.

 

□ 특히 발견된 미세조류는 국내에서 쉽게 확보할 수 있는 종으로 응용에 유리하다는 설명이다. 한편 연구팀은 수소화효소 유전자 규명 등 후속연구를 진행할 계획이다.

 

o 전 교수는 “극소량이지만 미세조류에서 차세대 연료인 수소를 직접 얻는 기술의 개발과 산소에 내성이 있는 수소화효소의 발견은 수소생산 응용과학에 한걸음 다가가는 계기가 될 것”이라고 밝혔다.

 

 

수소는 온실가스인 이산화탄소 및 공해물질의 배출 없이 물만을 배출하는 청정에너지이다. 온실가스 배출량에 대한 국제적 규제에 선제적으로 대응하기 위해서 경제적인 수소에너지 생산 기술에 대한 국제적 관심이 급증하고 있다. 광합성 미생물을 이용한 수소생산 연구는 차세대 에너지 사업 분야인 바이오 에너지 부분에서 각광받고 있으며, 수년 간 수소생산 미생물의 유전자 규명과 수소화효소의 작동 메커니즘에 관한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.

 

그러나 일부 기능을 제외한 수소화효소의 메커니즘은 밝혀지지 않고 있으며, 일반적인 수소화효소의 활성화는 산소 농도에 제한적(<2%)이다. 따라서 무산소 조건에 제한된 광합성 수소생산 기술의 한계로 인해 유산소 조건에서의 수소 생산을 위한 획기적인 기술 개발이 필요하다.

 

유산소 조건에서 수소 생산을 위한 산소 내성 수소화효소의 유전자 변이 또는 수소화효소를 분리하여 박테리아(prokaryote) 계열에 접종 하는 등의 혁신적인 연구가 진행되고 있으며, 일부 산소 내성을 지닌 수소화효소가 보고되었으나 박테리아 내 수소화효소의 최대 산소 내성은 약 10% 대기산소농도로 제한되어 관련된 연구가 계속 진행 중이다. 최근 blue-green alga(cyanobacteria)내 수소화 효소가 고농도 산소(예 : 대기 산소농도>21%) 조건에서도 활성화되어 산소 내성 수소화효소 연구에 상당한 진전을 보이고 있다. 현재 미세조류 내 산소 내성이 높은 수소화효소의 연구는 초기단계이며, 제한적 기술요소를 극복하는 것이 관건이다.

 

미세조류가 서식하는 호소수는 대기와 평형상태를 유지하고 있어 다량의 용존산소가 존재한다. 미세조류와 같은 광합성 미생물을 이용하여 수소를 발생하기 위해서는 그 조건을 무산소로 변환해야하는 어려움이 있으며, 일반적으로 매우 낮은 산소(<2%) 조건에서 불활성화 되는 광합성 미생물의 수소화효소(H2ase)의 단점을 극복하기 위해 산소에 대한 내성 및 활성도가 탁월한 수소화효소의 존재를 발견하고, 이를 통해 자가 수소 생산기용 미세조류를 개발할 필요성이 있기에 연구를 수행하였다.

 

산소 조건 하에서 수소 생산의 가능성 비교 평가를 위해 무산소 조건에서 동일 미세조류를 이용하여 성능을 비교하였다. 수소 생성 연구수행결과, 미세조류와 미세조류가 지닌 수소화효소는 모든 산소조건(5-21%)에서 활성을 나타내고 일정기간동안 수소를 발생하였다.

 

발견된 자가 수소 생산 미세조류의 성능은 다음과 같은 분석을 통해 설명이 가능하다. 첫째, 가스크로마토그래피 분석을 통해 다양한 산소 조건 (5-21%)에서 수소 피크 발생을 확인할 수 있었다. 둘째, 유전자 분석을 통해 발견된 미세조류 내 수소화효소가 산소 조건에서 활성이 가능한 산소 내성 수소화효소임을 확인하였다. 이를 통해 수소화효소의 mRNA발현과 활성은 수소 생산과 상호관계에 있음을 밝혔고, 고농도 산소조건 (21%)에서도 약 4일 이상의 활성이 가능함을 확인하였다. 셋째, 수소화효소의 재활성을 통해 산소내성을 지닌 수소화효소가 일정 구간의 산소 농도 범위를 유지 시 수소화효소의 활성이 지속적으로 가능한 것을 확인하였다. 그 결과, 미세조류가 성장하면서 발생되는 산소농도를 제어 (<21%)하면 지속적이고 안정적인 수소화효소 활성을 나타낼 수 있었다.

 

 

고농도 산소에서 수소생산이 가능한 수소화효소를 지닌 자가 수소 생산기용 미세조류의 발견으로 수소 생산 미세조류의 유전자 규명과 수소화효소의 작용 메커니즘에 대한 연구가 박차를 가할 것으로 기대된다. 또한 발견된 산소 내성 수소화효소를 분리하여 응용과학분야인 생체모방 촉매(biomimetic catalysts)와 더불어 생체모방형 태양광발전 (biomimetic photovoltaics)의 원천기술로의 접목이 기대된다.

 

 

 

○ 네이처 출판그룹(NPG)이 온라인으로 발행하는 국제학술지

 

○ 호수, 늪, 소택, 습원 등 내륙의 와지에 있는 고인 물을 총칭

 

○ 산소가 없는 조건에서 생육하는 성질, 반대로 산소가 있는 조건에서 생육하는 성질은 호기성(好氣性)이라고 한다.

 

○ 미생물이 광합성할 때 만드는 proton(H+)을 통해 수소를 생산하는 효소

○ 세포가 가지고 있는 유전정보에 맞춰 정확하게 단백질을 만들도록 DNA의 유전정보를 가지고 있되 단백질합성기구가 인식할 수 있도록 전사된(tranion) 핵산(nucleic acid)으로 전령(messenger) 역할을 한다고 하여 mRNA라고 불린다.

 

○ 반응과정에서 소모되지 않고 반응속도를 변화시키는 생화학적 작용을 모방한 물질

○ 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 생화학적 작용을 모방한 물질

 

 

 

두 종류의 미세조류(YSL01, YSL16) 모두 산소 농도가 15%로 일정한 경우에 이산화탄소 농도가 5%(빨간색 막대)에서 10%(검은색 막대), 15%(파란색 막대)로 높아짐에 따라 수소 발생량 역시 증가하는 것으로 나타났다. 이산화탄소는 미세조류의 영양원인 탄소원이 될 수 있어 미세조류의 수소 생산이 미세조류의 성장과 연관되어 있음을 시사한다.

 

(b) 산소 농도 변화에 따른 수소 생산

두 종류의 미세조류(YSL01, YSL16) 모두 산소농도가 5%(빨간색 막대)이거나 10%(검은색 막대)일 때 일정량의 수소를 만들어 냈지만 15%(파란색 막대)로 높아지면 수소 생산량이 급격히 줄어들고 대기조건인 21%까지 산소농도가 높아지면(흰색 막대) 수소가 거의 발생하지 않았다. 미세조류의 수소 생산이 산소농도에 의존함을 시사한다.

 

(a) 대기 조건에서 미세조류를 배양하고 배양기간에 따른 수소와 산소 농도를 측정한 그래프로 약 2일 후부터 수소(빨간색 그래프)가 조금 발생하다가 점차 감소한다. 삽입된 그래프는 배양기간에 따른 수소화효소의 mRNA 발현량을 나타내는 것으로 수소 농도와 비슷하게 2일 후에 높게 나타나나 점차로 감소한다. (b) 배양기간에 따른 수소화효소의 활성을 나타내는 그래프로 배양 2일째 가장 활성이 높게 나타나고 점차 감소해 수소생산과의 연관성을 보여준다.

 

(c) 무산소 조건에서 미세조류를 배양하면 대기 조건보다 수소(빨간색 그래프) 발생이 훨씬 많았고 수소화효소 mRNA 발현량(삽입된 그래프) 역시 2배 이상 높았다. (d) 수소화효소 활성 역시 대기 조건보다 2배 이상의 높게 나타났다. 한편 수소 농도 감소에 따라 수소화효소의 활성과 mRNA 발현량도 점차 감소해 이들 간 연관성을 보여준다.

 

 

 

그래프의 가로축은 미세조류의 배양기간(operation time)을 나타내며 그래프의 세로축은 미세조류가 만들어내는 기체(수소, 산소, 이산화탄소)의 농도를 나타낸다.

 

6일 내지 7일 정도 경과하여 미세조류가 광합성을 통해 만들어 내는 산소 농도(검정색 그래프)가 일정(21%) 이상으로 높아지면 수소 생산(빨간색 그래프)이 멈추는 것을 볼 수 있다.

 

또한 10일, 12일, 15일 경과한 시점에 다시금 산소 농도를 15% 가량으로 낮춰주면(오른쪽 화살표 표시) 다시 수소가 발생하는 것으로 보아 산소 농도변화 조절로 수소 생산량이 가역적으로 조절될 수 있는 가능성을 시사한다.