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생명과학과 조병관 교수팀이 발견한 돌연변이 미생물은 야생형 미생물 대비 고농도 일산화탄소 조건에서 약 6배 정도 빠른 성장속도를 보였고, 결과적으로 약 6배 이상 높은 생산성을 보여 일산화탄소를 효율적으로 C4 화학연료로 전환 성공했다.

사진 1. KAIST 생명과학과 조병관 교수
[에너지경제신문 송기우 에디터] 카이스트(총장 이광형)는 생명과학과 조병관 교수(사진) 연구팀이 산업 부생가스 등으로 대량 발생하는 고농도의 일산화탄소를 고부가가치 바이오케미칼로 전환할 수 있는 생체촉매 기반 C1 바이오 리파이너리 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

리파이너리 기술은 제철 공정과 같은 산업공정에서 발생하는 부생가스, 합성가스는 다량의 일산화탄소, 이산화탄소 등의 탄소 1개로 이루어진 C1 가스로 구성되어 있는데, 이러한 C1 가스를 미생물과 같은 생체촉매를 활용하여 다양한 화학물질로 전환하는 공정을 C1 가스 바이오 리파이너리(bio-refinery) 기술이라고 한다.
 
그림 1

▲ C1가스 바이오-리파이너리 개요 (자료=카이스트)

최근 탄소 포집 및 전환과 같은 기술들에 대한 산업계의 요구가 커지는 가운데, 미생물을 활용한 친환경 생체촉매 기술이 크게 성장하고 있다. 조병관 교수 연구팀은 아세토젠 미생물을 생체촉매로 활용한 C1 가스 바이오 리파이너리 기술을 개발했다. 이 미생물들은 혐기성 미생물들로 우드-융달 대사회로라는 매우 독특한 대사회로를 이용하여 C1 가스로부터 아세트산을 만드는 미생물로 알려져 있다.

이러한 아세토젠 미생물을 생체촉매로 활용해 산업 부생가스를 활용하는 기술에는 한 가지 문제가 있는데, 바로 독성가스인 일산화탄소의 농도다. 이 미생물은 60% 이상의 고농도 일산화탄소 조건에서는 생명 활동이 크게 저해를 받기 때문에, 생체촉매로써 사용할 수 없게 된다. 다양한 산업에서 발생하는 C1 가스는 공정 과정에 따라 10~70% 정도의 일산화탄소가 포함돼있는데, 특히 철강산업 공정에서 발생하는 고로가스(BFG)에는 약 60%가 넘는 일산화탄소가 포함돼 있다. 따라서, 미생물 기반 고효율 생체촉매 개발을 위해서는 일산화탄소에 대한 저항성을 높이는 것이 필수적으로 선행돼야 한다.

연구팀은 아세토젠 미생물 중 하나인 유박테리움 리모좀(Eubacterium limosum) 균주를 고농도 일산화탄소 조건에 지속적으로 노출해 일산화탄소에 대한 내성이 뛰어난 돌연변이체(ECO2)를 발굴했는데, 해당 돌연변이체는 일산화탄소가 약 60% 이상 포함된 합성가스 조건에서 야생형 미생물보다 약 6배 정도 빠른 성장 속도를 보였다. 이러한 성장 속도는 현재까지 보고된 아세토젠 미생물 중 고농도 일산화탄소 조건(CO 함량 60% 이상)에서 전 세계에서 가장 빠른 속도다.

연구팀은 위의 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 이러한 변이가 일산화탄소 내성 및 고정률 향상을 유도했음을 밝혔다. 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 정도의 높은 2,3-BDO 생산성을 보여줌으로써, C1 가스를 효율적으로 C4 화학연료로 전환하는데 성공했다.
 
 

연구를 주도한 조병관 교수는 "산업공정 과정에서 발생하는 C1 가스는 일산화탄소, 이산화탄소 등의 혼합가스로, 이를 직접적으로 미생물이 이용하기 위해서는 일산화탄소에 대한 내성 및 전환율 향상이 필수적"이라며, "다양한 합성생물학 기술들 활용하면 아세토젠 미생물 생체촉매의 활용도를 더욱 개선할 수 있으며, 이러한 고효율 C1 가스 전환 생체촉매 연구는 C1 가스 바이오 리파이너리의 핵심 원천기술로 다양한 산업현장에 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

카이스트 생명과학과 진상락(석박사통합과정), 강슬기(박사과정) 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘화학 공학 저널(Chemical Engineering Journal, 영향력지수 14.66)’에 6월 22일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Development of CO gas conversion system using high CO tolerance biocatalyst)

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1 가스 리파이너리 사업단의 지원을 받아 수행됐다.
 
그림 2

▲ 적응진화 기법 활용 일산화탄소 내성 향상 미생물 확보
가) 아세토젠 미생물 중 하나인 Eubacterium limosum ECO1 군집을 일산화탄소가 약 66% 정도가 포함된 합성가스 조건에서 약 400 세대 정도 계대배양 수행. 나) 야생형 미생물, 일산화탄소 40%에서 적응진화 균주 ECO1과 고농도 일산화탄소 조건에서의 적응진화 균주 ECO2-P의 성장곡선 비교. 다) ECO1 균주와 ECO2 균주의 일산화탄소 소모 속도 비교.

그림 3

▲ AI 기반 구조예측 및 단백질 돌연변이 기능 규명
AI 기반 구조예측 프로그램(AlphaFold2)을 이용해 ECO2 돌연변이의 아세틸-조효소 A 합성효소(Acetyl-CoA synthase, ACS)의 구조 차이 비교 및 돌연변이 단백질의 기능 변화 유도 규명

그림 4

▲ 2,3-부테인다이올(2,3-butanediol, 2,3-BDO) 생합성 회로 구축 및 돌연변이 미생물로의 도입
가) E. limosum 생체촉매를 통해 C1가스로부터 2,3-BDO 생산을 위해, 아세토인(acetoin, 2,3-BDO 전구물질) 생합성 회로에 2,3-BDO 탈수소효소를 연결한 2,3-BDO 생합성 회로 구축 및 해당 시스템을 야생형 및 ECO2 돌연변이 미생물에 형질전환. 나) C1가스로부터 C4 화학연료 생산을 위한 가스 발효기 운전. 다) 고농도 CO 가스 조건에서의 가스발효를 통해 acetoin, 2,3-BDO 생산 그래프. (자료=카이스트)


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