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Bio-inspired 기술 : 효소의 구조를 모방한 합성 촉매(높은 효율로 메탄을 메탄올로 전환)

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 23-48

■ 생명현상에 영감을 받은 생체모방기술(bio-inspired technology) 개발이 활발한 추세

○ 최근 자연적인 효소의 구조를 모방한 합성 촉매를 개발하여 높은 효율로 메탄을 메탄올로 전환할 수 있다는 연구성과를 발표

- 메탄은 온실가스의 원인이며, 또한 셰일가스의 주성분인 메탄은 중요한 화학원료인 메탄올로의 전환이 중요 이슈로 환경과 에너지 분야에서 관심이 증대

※ 온실가스의 대부분은 이산화탄소이지만 상대적으로 낮은 비율로 포함된 메탄 가스는 33배 더 강력한 온실 효과를 보이는 것으로 분석

- 기존에는 매우 높은 C-H 결합 해리에너지를 갖는 메탄을 산화하기 위해 고온의 촉매 반응을 이용했는데, 이 과정에서 부분 산화물인 메탄올의 반응성이 높아 CO₂로 쉽게 완전 산화되는 점이 한계였던 상황

○ 자연계에서는 메탄자화균(Methanotrophic bacteria)이 대사를 통해 메탄을 메탄올로 전환

- 오랜 기간 메탄자화균의 메탄 대사 효소인 메탄 모노옥시게나제(methane mono-oxygenase) 연구는 구조가 밝혀지지 않아 조절 기작을 이해하는 데 어려움이 있었으나,

- 지난 2019년 국내 연구팀에서 메탄 모노옥시게나제 구조를 X선으로 분석해내며, 효소의 작용 메커니즘을 규명

※ Science Advances, MMOD-induced structural changes of hydroxylase in soluble methane monooxygenase, 2019.10(전북대 이승재 교수 & 미시간대 조운수 교수 연구팀)

■ 일본 쓰쿠바대학 연구팀은 메탄 모노옥시게나제의 구조를 모방한 합성 촉매를 개발하여 높은 효율로 메탄 → 메탄올로 전환

○ 수용성 메탄 모노옥시게나제(soluble methane mono-oxygenase, sMMO)는 소수성 아미노산 잔기에 의해 형성된 캐비티(cavity, 속이 빈 공간)를 갖는 철 이온(Fe2+) 결합 효소로,

- 연구팀은 소수성 캐비티를 모방하기 위해 소수성 SCS*를 활용하였으며, NHC**로 둘러싸인 Fe원자 중심의 복합체(Fe-NHC-SCS)를 합성

* SCS(second coordination sphere) : 소수성 벤젠고리 3개가 직선으로 연결된 안트라센 분자

** NHC(N-heterocyclic carbene) : 카빈 탄소(비공유 전자쌍을 갖는 탄소)와 한 개 이상의 질소 원자를 포함하는 헤테로고리(Heterocyclic) 화합물로 전이금속의 대표적 리간드

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