KAIST, 고농도 일산화탄소를 고부가가치 바이오케미칼로 전환기술 개발

조병관 교수팀, 아세토젠 미생물 생체촉매로 C1 가스 전환기술 개발

유박테리움 리모좀 미생물로 돌연변이체 발굴, 일산화탄소 독성 대응

6배 높은 생산성, 진보된 C1 가스 바이오 리파이너리 핵심 원천기술

[대전=뉴시스] C1 가스 바이오-리파이너리 개요도. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 생명과학과 조병관 교수 연구팀이 산업시설서 대량 발생하는 고농도 일산화탄소를 고부가가치 바이오케미칼로 전환할 수 있는 '생체촉매 기반 C1 바이오 리파이너리 기술'을 개발했다고 14일 밝혔다.

C1 가스 바이오 리파이너리(bio-refinery) 기술은 탄소 1개로 이뤄진 C1 가스를 미생물과 같은 생체촉매를 활용해 다양한 화학물질로 전환하는 공정을 말한다. 제철공정과 같은 산업공정에서 발생하는 부생가스·합성가스는 다량의 일산화탄소, 이산화탄소 등이 탄소 1개로 이뤄진 C1 가스다.

최근 탄소포집 및 전환 기술들에 대한 산업계의 요구가 커지는 가운데 조병관 교수팀은 아세토젠 미생물을 생체촉매로 활용한 C1 가스 바이오 리파이너리 기술을 개발했다.
 
이 미생물들은 혐기성 미생물들로 우드-융달 대사회로라는 독특한 대사회로를 이용해 C1 가스로부터 아세트산을 만든다.

연구팀에 따르면 아세토젠 미생물을 60% 이상의 고농도 일산화탄소 조건에서는 생명 활동이 크게 저해를 받기 때문에 생체촉매로써 사용할 수 없다.

하지만 다양한 산업에서 발생하는 C1 가스는 공정 과정에 따라 10~70% 정도의 일산화탄소가 포함돼 있어 미생물 기반 고효율 생체촉매 개발을 위해서는 일산화탄소에 대한 저항성을 높이는 것이 필수적이다.

이에 따라 연구팀은 아세토젠 미생물 중 하나인 '유박테리움 리모좀(Eubacterium limosum)' 균주를 고농도 일산화탄소 조건에 지속적으로 노출시켜 일산화탄소에 대한 내성이 뛰어난 돌연변이체(ECO2)를 발굴했다.

해당 돌연변이체는 일산화탄소가 약 60% 이상 포함된 합성가스 조건에서 야생형 미생물보다 약 6배 정도 빠른 성장 속도를 보였다. 이런 성장 속도는 현재까지 보고된 아세토젠 미생물 중 고농도 일산화탄소 조건(CO 함량 60% 이상)에서 전 세계에서 가장 빠른 속도다.

연구팀은 이 돌연변이 미생물의 유전체 서열분석을 통해 아세틸 조효소 A 합성 단백질(acetyl-CoA synthase)을 암호화하는 유전자(acsB) 내 돌연변이가 발생한 것을 규명하고 인공지능 기반의 구조예측을 통해 이런 변이가 일산화탄소 내성 및 고정률 향상을 유도한다는 사실을 밝혀냈다.

이어 연구팀은 일산화탄소에 대한 내성이 향상된 ECO2 돌연변이 미생물에 2,3-부탄다이올(2,3-butanediol, 2,3-BDO) 생합성 경로를 도입해 C1 가스를 C4 화학물질로 전환할 수 있는 미생물 기반 생체촉매 시스템을 개발했다.

ECO2 기반의 생체촉매가 가스 발효과정을 통해 야생형 미생물 대비 약 6.5배 가량 높은 2,3-BDO 생산성을 보이며 C1 가스를 효율적으로 C4 화학연료로 전환하는데 성공했다.

KAIST 생명과학과 진상락(석박사통합과정), 강슬기(박사과정) 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘화학 공학 저널(Chemical Engineering Journal)’ 온라인 판에 지난달 22일 게재됐다.(논문명: Development of CO gas conversion system using high CO tolerance biocatalyst)

연구를 주도한 조병관 교수는 "산업공정에서 발생하는 C1 가스는 일산화탄소, 이산화탄소 등의 혼합가스로 이를 직접 미생물이 이용키 위해선 일산화탄소에 대한 내성 및 전환율 향상이 필수"라며 "고효율 C1 가스 전환 생체촉매 연구는 C1 가스 바이오 리파이너리의 핵심 원천기술로 다양한 산업현장에 적용할 수 있을 것으로 본다"고 밝혔다.


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