연구성과

차형준 교수팀, 이산화탄소 이용 탄소화합물 개발 성공 (2012.3.7)

2012-04-08767

국토해양부(장관 : 권도엽)는 탄산무수화효소*(carbonic anhydrase)를 이용하여 온실가스인 이산화탄소를 인공뼈 등 산업용으로 널리 활용 가능한 고부가가치 탄산화합물로 직접 전환하는 실제적인 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발되었다고 밝혔다.

* 탄산무수화효소: 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산으로 빠르게 전환시키는 효소로, 전환된 탄산은 양이온과 반응해 탄산화합물을 형성함

화학공학과/해양대학원 차형준 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 국토해양부가 추진하는 해양생명공학기술사업의 ‘해양바이오산업신소재기술개발’과 포항산업과학연구원의 그린사이언스 사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 환경분야의 저명학술지인 ‘케모스피어(Chemosphere)’ 온라인 속보(3월 5일)에 게재되었다. 이번 연구결과는 특허로도 출원되어 지식재산권이 확보되었다.

형성된 탄산화합물은 제지, 플라스틱, 고무, 시멘트, 페인트, 치약 등 다양한 산업용 소재로 활용될 뿐 아니라 칼슘보조제, 인공뼈 등의 건강 및 의료용 소재로도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이산화탄소 저감은 인류가 직면한 해결해야 할 중요한 문제로, 이를 해결하고자 화석연료가 처리되는 과정에서 발생하는 이산화탄소가 대기로 방출되지 않도록 포집, 회수하여 격리하는 CCS(carbon capture and storage) 기술이 현재 많이 연구되고 있다. 그러나 최근에 들어 이산화탄소도 자원이라는 인식하에 단순 격리하는 방법 보다는 고부가가치의 소재로 전환하자는 인식의 전환이 시작되었다.

대기 중의 이산화탄소는 자연계에서 바이오미네랄화*를 거쳐 탄산화합물로 전환되어 저장된다. 차교수 연구팀은 이러한 바이오미네랄화 기작의 모방과 함께 분자생명공학기술을 접목하여 기존에 대기로부터 격리하고자 했던 이산화탄소를 부가가치가 높은 탄산화합물로 생물학적으로 전환하는 기술을 개발하였다.

* 바이오미네랄화 : 생명체가 외부에서 유기물(단백질, 탄수화물 등)과 무기물(미네랄 등)을 받아들여 생리활성을 통해 구조물(해양생물의 껍질이나 포유류의 뼈 등)을 만드는 과정

이산화탄소를 탄산화합물로 전환시키는데 활용된 탄산무수화효소는 이산화탄소를 물과 반응시켜(수화, hydration) 탄산으로 전환시키며 지금까지 알려진 효소 중에서 가장 활성속도가 빠르다. 이산화탄소의 수화는 자연적으로는 매우 느리지만 탄산무수화효소는 이 반응을 약 천만 배 (~107) 빠르게 촉진시킨다.

그러나 기존의 탄산무수화효소는 소의 혈청에서 추출한 것으로서 그램 당 약 3백만원이라는 고비용으로 실제적으로는 활용되지 못하고 있다. 이번에 개발된 대량생산이 가능한 재조합 탄산무수화효소를 통한 이산화탄소 전환 기술은 기존 효소를 대체하여 저비용, 고효율로 대기 중의 이산화탄소를 저감하는데 활용될 수 있다.

연구팀은 나이세리아 고노레아(Neisseria gonorrhoeae)라는 미생물이 가진 탄산무수화효소가 높은 활성을 지니고 있다는 사실에 주목하였으며 이 효소의 유전자를 재설계하여 대장균에서 대량 생산하는 기술을 구축하였다. 이렇게 대량생산된 재조합 탄산무수화효소는 기존에 주로 상업적으로 사용되던 소 혈청의 탄산무수화효소와 유사한 높은 활성을 나타내었으며 기체 상태의 이산화탄소를 수용액 상에서 탄산칼슘 결정 침전물로 전환시키는 일련의 과정에 성공적으로 적용되었다.

또한, 정제하기 전 단계의 효소 혼합물도 정제된 재조합 탄산무수화효소와 비교할만한 높은 활성을 나타냄을 확인하였다. 이로써 추후 더욱 경제적인 재조합 생물촉매(biocatalyst)를 활용한 이산화탄소의 탄산화합물 전환 시스템을 구축할 수 있는 발판이 마련되었다.

차형준 교수는 “본 연구는 온실가스인 이산화탄소를 고부가가치 탄산화합물로 실제적으로 직접 전환하는데 대량생산이 가능한 재조합 탄산무수화효소를 세계에서 처음으로 적용한 기술이다. 현재, 세포 자체를 촉매로 이용하는 재조합 전세포 촉매 개발이 성공적으로 진행 중에 있으며 이를 통하여 더욱 실제적이고 경제적인 이산화탄소 전환 공정의 개발이 이루어질 것이다.”라고 연구의의를 밝혔다.