바이오인

핵심내용

메탄가스를 메탄올로 변환시키는 바이오소재 개발

□ 메탄가스로부터 메탄올을 손쉽게 생산하는데 꼭 필요한 소재가 개발되었다. 이지원 교수(고려대학교) 연구팀은 메탄산화세균에서 유래한 효소의 핵심 활성 부위가 표출된 효소 나노입자를 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

□ 메탄가스는 지구에서 가장 풍부한 가스 자원이다. 메탄가스를 메탄올로 변환하면, 원유를 대체하여 다양한 생활용품과 산업용 소재의 생산에 활용될 수 있다. 그러나 현재 메탄가스로 메탄올을 생산하는 화학적 산화 공정은 높은 에너지 소비, 환경오염 유발, 낮은 반응 전환율 등 기술적‧경제적‧환경적 측면의 많은 문제점을 안고 있다.

 ㅇ 메탄올을 생산하는 화학적 공정의 대안으로, 메탄산화세균을 활용한 바이오 공정이 시도되었다. 그러나 메탄산화세균의 고농도 배양 및 메탄산화효소의 대량생산이 쉽지 않아, 성공사례가 보고되지 않았다.

□ 연구팀은 유전공학 기술로 메탄산화효소의 핵심 활성 부위만을 활용하여, 자연 상태의 메탄산화효소와 거의 같은 수준의 활성을 갖는 효소 나노입자를 개발했다.

 ㅇ 이 효소 나노입자는 빠른 시간에 고농도로 쉽게 배양되는 대장균을 이용하여 대량 생산이 가능하다는 탁월한 장점이 있다. 또한, 연구팀은 효소 나노입자를 다공성 하이드로겔에 고정함으로써 안정적으로 활성을 유지하며 장시간 반복적으로 재사용할 수 있는 메탄올 생산시스템을 개발했다.

 ㅇ 추가적으로, 연구팀은 효소 나노입자를 이용하여 막 단백질 형태 메탄산화효소의 활성 부위 구조를 명확히 규명하는 과학적 성과도 이뤘다.

□ 이지원 교수는 “이 연구는 문제점이 많은 기존의 화학적 메탄 산화 공정을 고효율의 바이오공정으로 대체하기 위해 메탄산화효소를 대량 생산이 가능한 나노입자의 형태로 개발하고, 효소 나노입자를 안정적, 반복적으로 재사용할 수 있는 생산시스템을 개발한 것이다”라며, “이 기술을 확장 적용하면 산업적 활용 가치가 있는 다양한 효소 및 이를 이용한 고효율의 바이오 공정 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행되었으며, 권위 있는 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 4월 2일(한국시간) 게재되었다.

상세내용

 < 논문명, 저자정보 >

논문명
Biological conversion of methane to methanol through genetic reassembly of native catalytic domain

저  자
이지원 교수(교신저자/고려대), 김현진 박사(제1저자/고려대), 허준 교수(제1저자/고려대), 권영완(고려대), 박동현(고려대), 유연화(고려대), 장영은(고려대), 이보람(고려대), 조은지(고려대), 이은정(경북대), 허윤석(연세대), 이원태(연세대)

< 연구의 주요내용 >

1. 연구의 필요성

 ○ 메탄가스는 셰일 가스(shale gas), 매립 가스(landfill gas), 바이오 가스(biogas) 등의 주성분으로 지구상에서 가장 풍부한 가스 자원이며 메탄올의 생산 원료이다. 현재 다양한 생활용품이나 주요 산업용 소재로 활용되는 탄화수소물은 원유를 원료로 하여 생산되고 있으나, 이들의 대부분은 메탄올로부터도 생산 가능하여 메탄올은 원유를 대체할 수 있는 탄화수소 제조 원료로서 주목받아 왔다.

 ○ 현재까지 메탄올의 산업적 생산은 메탄가스의 화학적 산화 공정을 통해 제조되고 있는데, 이러한 메탄 산화 공정은 높은 에너지 소비, 환경오염 유발, 낮은 반응 전환율 등 기술적, 경제적, 환경적 측면의 많은 문제점들을 안고 있다.

 ○ 이를 해결하기 위한 대안으로 메탄산화세균(methanotroph) 유래의 메탄산화효소(methane monooxygenase, MMO)를 활용하는 바이오 공정에 세계적인 관심이 집중되어 왔다. 특히, 막 단백질의 형태로 존재하는 메탄산화효소(particulate MMO, pMMO)는 화학적 산화 공정에 비해 매우 온화한 조건(45℃, 상압)에서도 메탄가스의 대부분을 부산물 발생 없이 선택적으로 메탄올로 전환시키는 효소로서 산업적 활용 가치가 매우 높은 효소이다. 그러나 메탄산화세균의 고농도 배양이 매우 어렵고, 막 단백질의 일종인 메탄산화효소(pMMO)의 대량 생산 또한 그 기술적 난이도가 매우 높아 세계적인 집중 연구에도 불구하고 성공적인 개발 사례가 아직 보고되어 있지 않다.

 2. 연구내용

 ○ 연구팀은 메탄산화세균의 세포막에 존재하는 메탄산화효소(pMMO)의 핵심 활성 부위를 단백질로 구성된 나노입자인 인간 훼리틴 표면에 유전공학적으로 표출시킴으로써 새로운 효소 나노입자를 개발하였다.

 ○ 인간 훼리틴 단백질 나노입자는 24개 요소 단백질들이 세포 내에서 스스로 조립되어 만들어지는 구형의 나노입자로서, 인체 내에서 합성되는 단백질 나노입자임에도 대장균 세포를 이용하여 대량 생산할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 유전공학기술을 이용해 훼리틴 나노입자 표면의 특정 부분에 다양한 단백질의 일부 또는 전체를 융합시킬 수 있어 효소의 활성 부위만이 표출된 새로운 효소 나노입자를 개발하는데 매우 유리하다.

 ○ 연구팀에서는 훼리틴 단백질 나노입자 표면의 특정 위치에 메탄을 메탄올로 전환시킬 수 있는 메탄산화효소의 핵심 활성 부위를 유전공학적 재조립(genetic reassembly) 과정을 통해 표출시킴으로써 새로운 효소 나노입자를 제조하는데 성공하였다.

 ○ 상기 효소 나노입자가 포함되어 있는 수용액에 메탄가스를 주입한 결과, 메탄이 선택적으로 메탄올로 전환되는 것을 가스 크로마토그래피, 핵 자기공명분광법 등을 통해 확인하였으며, 이는 자연 상태의 메탄산화효소(pMMO)와 거의 같은 수준의 활성으로 나타났다.

 ○ 또한, 다공성 하이드로젤의 내부에 효소 나노입자가 고정화되어 고르게 분포되어 있는 효소 반응시스템을 개발하였다. 이는 일정 부피의 지정된 공간에 가급적 많은 양의 효소 나노입자를 포함시킬 수 있을 뿐만 아니라, 하이드로젤의 뛰어난 수분 유지 능력으로 인해 효소 나노입자의 활성을 장기간 안정적으로 유지하면서 반복적으로 재사용할 수 있다는 장점이 있다.

 ○ 추가적으로, 연구팀은 상기 효소 나노입자를 이용하여 메탄산화효소(pMMO)의 활성 도메인 구조를 좀 더 명확히 규명하는 과학적 성과를 이루었다. 즉, 기존 막 단백질 형태의 메탄산화효소의 구조 연구는 배양된 메탄산화세균으로 부터 복잡한 추출 과정을 통해 정제된 소량의 메탄산화효소를 이용하여 진행되었다. 이 추출 과정에서 효소 활성 도메인의 손상(금속 이온 보조 인자의 유실 등)이 발생할 수 있어 그 연구 결과의 진위성에 대한 논란이 있어 왔다. 연구팀은 메탄산화효소의 핵심 활성 부위가 포함된 효소 나노입자를 간편, 신속하게 대량으로 생산한 뒤, 이를 다양한 분광 분석 기법(전자 상자성 공명 분광법, X선 흡수 분광법, 유도 결합 플라즈마 질량 분광법 등)을 통해 분석함으로써 활성 부위의 구조를 좀 더 명확하게 규명하였다.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 연구팀은 유전공학기술을 이용하여 메탄산화세균 유래의 메탄산화효소 (pMMO)의 핵심 활성 부위가 표출된 새로운 효소 나노입자를 개발하였다. 이 효소 나노입자는 대장균 세포 내에서 신속, 간편하게 대량 생산될 수 있는 탁월한 장점이 있다. 이는 에너지 저소비형, 친환경적 반응을 통해 메탄가스로부터 메탄올을 손쉽게 생산할 수 있는 고효율 바이오공정을 개발하는데 가장 큰 걸림돌이 되어 왔던 기술적 난제를 해결할 수 있는 성과이다. 또한, 많은 양의 효소 나노입자를 흡수성이 높은 다공성 하이드로젤에 고르게 고정화하여 분포시킴으로써 안정적, 반복적으로 효소 나노입자의 재사용이 가능한 반응시스템을 개발하였다.

 ○ 또한, 그동안 논란이 많았던 막 단백질 형태 메탄산화효소(pMMO)의 활성 부위 구조를 좀 더 명확히 규명하여 효소의 반응 원리를 정확히 이해할 수 있는 과학적 근거를 제시함으로써, 향후 관련 학계 및 산업계에 큰 파급 효과가 있을 것으로 기대된다.

 ○ 이 연구 성과는 다양한 효소의 핵심 활성 부위를 유전공학적으로 재조립하여 새로운 효소 나노입자를 개발하는데 효과적으로 적용할 수 있는 범용적 성격의 기술을 제공함으로써, 추후 산업적 활용 가치가 있는 다양한 바이오촉매 및 생물학적 전환공정 개발에 기여할 것으로 평가된다.

...................(계속)

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