산업 폐가스를 화학원료로 만드는 효소 개발

산업 폐가스를 화학원료로 만드는 효소 개발

 

등록일2022.11.16.

 

 

산업 폐가스를 화학원료로 만드는 효소 개발 
-대량의 개미산 생산으로 탄소선순환 산업 구축 이바지 기대-
  


□ 산업 폐가스를 별도의 사전처리 없이 화학원료로 이용할 수 있도록 만드는 효소가 국내연구진에 의해 개발됐다. 

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김용환 교수(울산과학기술원), 이형호 교수(서울대학교) 연구팀이 일산화탄소 전환효소(CODH, CO dehydrogenase)에 단백질 설계기술을 적용, 철강 산업 폐가스를 화학원료로 만들 수 있는 고효율·고안정성 효소를 개발했다고 밝혔다.  

□ 독성물질이 혼합되어 방출되는 산업 부생가스 중 일산화탄소를 다른 용도로 사용하기 위해 고순도로 정제하려면 분리공정에 상당한 비용이 필요하다. 
 ○ 별도의 공정 없이 화학 물질을 생산하기 위해서는 일산화탄소 전환효소가 필요하지만, 일반적으로 발견되는 자연형 일산화탄소 전환효소는 공기에 취약해 실제 폐가스 등에 적용하는 것은 한계가 있었다. 

□ 이에 연구팀은 일산화탄소 전환효소의 3차원 입체구조를 구현, 자연계에 존재하는 모든 일산화탄소 전환효소에서 공통적으로 발견되는 산소전달 핵심부위(substrate bottleneck)를 인공적으로 재배열해 산소가 있어도 빠른 속도로 촉매반응을 할 수 있는 효소를 개발하는 데 성공했다. 
  ○ 효소 분자의 3차원 입체구조를 기반으로 재설계된 효소는 선택적으로 산소 분자의 이동을 차단해 안정성을 개선했다.
  ○ 나아가, 재설계된 효소를 통해 전처리되지 않은 모든 폐가스를 화학원료로 직접 전환할 수 있는 성능을 확인했으며, 이를 대량의 개미산*으로도 생산할 수 있는 가능성을 입증했다. 
      * 개미산 : 가장 간단한 형태의 유기산으로, 현재는 피혁, 방부제, 제설제 등의 다양한 용도로 사용되고 있다. 향후 수소저장운반체 및 이산화탄소 저장체로서 시장창출이 기대되고 있다.

□ 이번 연구 성과는 학문적으로 산소에 활성을 잃는 효소를 인공적으로 재설계해 안정한 효소를 개발할 수 있는 실마리를 제공했다는 점에서 의미를 갖는다.
 ○ 덧붙여, 산업적으로는 폐가스 등을 자원으로 이용해 상온, 상압 조건에서 안전하게 개미산을 생산함으로써 탄소 배출 없는 탄소선순환 산업 구축에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 

□ 향후 연구 계획에 대해 연구팀은 “산소안정성을 높여 공기 수준의 산소가 포함된 환경에서도 활성이 유지되는 효소 개발이 필요하며, 이 효소를 산업현장에서 장기간 안정적으로 적용할 수 있는 반응공학적 기술 개발이 선행되어야 한다”고 밝혔다. 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1가스리파이너리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학/화공 분야 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 9월 12일 게재되었으며, 표지논문 및 하이라이트로 선정되었다.

주요내용 설명

 <작성 : 울산과학기술원 김용환 교수>


논문명
O2-tolerant CO dehydrogenase via tunnel redesign for the removal of CO from industrial flue gas
저널명 
Nature Catalysis
키워드 
 CO dehydrogenase (일산화탄소 전환효소), O2 tolerance (산소 내성), tunnel redesign (기질이동통로 재설계), industrial flue gas (산업폐가스), decarbonization (탈탄소화)
DOI
https://doi.org/10.1038/s41929-022-00834-y 
저  자
김용환 교수(교신저자/울산과학기술원), 이형호 교수 (교신저자/서울대학교), 김석민 박사 (제1저자/울산과학기술원), 이진희 학생 (제1저자/울산과학기술원), 강성혁 학생 (제1저자/서울대학교), 허윤영 학생 (제 1저자/서울대학교), 윤혜진 박사 (공동저자/서울대학교), 한지숙 교수 (공동저자/서울대학교)


1. 연구의 필요성
 ○ 다양한 폐가스와 갖가지 촉매 저해인자가 혼합되어 방출되는 산업 부생가스 중의 일산화탄소 (carbon monoxide, CO)는 분리공정에 상당한 비용이 들기에 고순도로 정제하여 다른 용도로 사용하는 것은 경제성이 없으며, 분리정제 없이 활용할 수 있는 기술의 개발이 필요한 상태임.
 ○ 본 연구팀에서는 정제되지 않은 CO 함유 부생가스를 바로 원료로 사용하여, 산업적으로 유용한 케미컬로 이용될 수 있는 일산화탄소 전환효소 CODH (CO dehydrogenase)를 개발하고 이를 대량의 개미산으로 무한정 생산할 수 있는 개미산 산업기술의 활로를 개척함.
 ○ 일반적으로 발견되는 자연형 CODH는 반응속도에 있어 완벽에 가까운 효소 (diffusion limited enzyme, 108–109 M-1·s-1)중 하나로 아주 빠르게 물질을 생산할 수 있는 촉매이나 산소에 매우 취약하여 학문적 소재로만 연구되었지만, 이를 인공적으로 분자 재설계하여 산소가 있어도 빠른 속도로 촉매반응을 할 수 있는 산업효소를 개발하여 산업 부생가스에 직접적으로 사용하는 경제성이 매우 우수한 기술로 제안함.
 2. 연구내용 
 ○ 자연계에 존재하는 모든 산소민감형 CODH에서 공통적으로 가진 산소전달 핵심부위 (substrate bottleneck)를 발견하여 이들 효소 촉매의 3D 입체구조 결정으로 산소취약성에 대한 메커니즘을 세계 최초로 규명함.
 ○ 이들 3D 입체구조를 기반으로 분자 재설계된 효소는 선택적으로 산소를 차단하여 안정성이 획기적으로 개선된 상업용 효소로, 전처리되지 않은 실제 제철산업 거의 모든 부생가스 종류에 적용하여 안정적인 CO가스 전환 성능을 확인함.
 ○ 연구 개발된 산소안정성 CODH는 CO전환뿐만 아니라 CO2 포집(fixation)을 위한 전기화학적 연구분야 및 혐기성 산업 미생물 (예, Lanza tech)의 성능개량 등의 생물촉매 분야 등 다양한 융합 바이오 촉매 원천기술개발로의 응용성도 크게 기대됨.
 ○ 또한 신개념 CO수화효소 (CO hydratase)로 촉매반응을 확장하여 CO이용 개미산 생산 공정 모델을 제시함. 이는 현재 산업용 저순도 폐가스 CO로부터 개미산 및 바이오폴리머를 경제성 있게 생산하는 기술로 고안되어 최근 현대제철 폐부생가스인 LDG (Linz–Donawitz converter gas) 가스로부터 전처리없이 개미산 고농도, 고생산성이 현장 반응기 운전으로 실증에 성공함.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 산소안정성 CODH의 산화반응은 CO2 고정화반응과 쉽게 연계되고 이의 CO수화효소 (CO hydratase) 설계로 실제 부생가스 전환을 위한 상업용 원천기술 및 촉매 확보가 가능하게 됨.
 ○ CO수화효소 (CO hydratase) 이용을 통한 대량 개미산 생산 공정개발로 상업적 개미산 생산 (부생가스 CO에서 3천만톤 생산 가능, 30조원 부가가치 창출)과 개미산 기반 생분해성 플라스틱 PHB 생산이 가능함. 
 ○ 제철산업환경의 대규모 촉매전환 반응기 운전을 통해 온실 부생가스 저감 및 폐가스 연소처리 해결로 에너지 절약 등 무탄소 배출을 통한 초격차형 신산업 창출이 가능함.

그림 설명





(그림1) 일산화탄소 전환효소 CODH의 기질통로
일산화탄소 (기질)가 전환되기 위해서는 두 가지의 통로로 가스기질이 이동하게 되는데, 이때 ‘특이적 기질통로’는 일산화탄소만이, ‘비특이적 기질통로’는 산소를 포함한 다양한 물질들이 이동하게 됨. 비특이적 통로만을 차단하여 산소에 안정한 효소를 개발함. 기질특이적 통로가설을 세계최초로 제시하고 하나의 아미노산 교체만으로 간단히 이를 증명하고 획기적 성능의 상업용 효소를 개발함.

그림설명 및 그림제공 : 울산과학기술원 김용환 교수 





(그림2) 실제 제철 폐부생가스 LDG유래 일산화탄소 전환반응                   
개발된 일산화탄소 전환효소 성능을 폐가스 LDG를 이용하여 산소유무에 따라 연속사용으로 반복테스트함. 그 결과, 산소유무에 상관없이 안정적으로 재사용이 되었고 일산화탄소 전환능력이 잘 유지됨을 확인함. 이를 통해 전처리없이 실제 산업환경에서 나온 폐가스에 바로 적용이 가능한 것으로 나타남.

그림설명 및 그림제공 : 울산과학기술원 김용환 교수



연구 이야기


                                      <작성 : 울산과학기술원 김용환 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

더 나은 내일과 미래를 살기를 바라는 마음은 누구나 같을 것입니다. 많은 국내 바이오·화학 연구자분들도 한국형 과학/산업/사회환경에서 보다 나은 내일을 바라는 마음으로 폐탄소자원문제를 해결하고자 부단히 노력하고 있습니다. 이러한 노력 중의 하나인 연구재단의 C1가스리파이너리사업 등의 지원을 통해 국내 제철산업 환경에서의 폐탄소가스자원을 어떻게 하면 과학적으로 세련되게 버릴 수 있을까하는 질문의 답을 찾는 과정으로 이 연구가 시작되었습니다.


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

폐탄소가스 일산화탄소를 유용한 화학원료로 전환하기 위해서는 실제 산업환경에서 사용하기에 적합하도록 효소촉매를 맞춤형으로 재설계해야 하고 (효소촉매 재설계), 이를 이용하여 효소 촉매반응이 잘 이루어지게 반응공정환경을 최적으로 조성하며 (효소촉매 반응공정 최적화), 실제 산업현장에서의 효소반응기 운전으로 차츰 실용화하게 됩니다. 현재의 연구는 효소촉매 재설계에 대한 내용만을 포함하고 있습니다. 최근에는 실용화를 위한 현장시험운전까지 진행된 상황입니다.


□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

일산화탄소 전환효소 내부에서 산소가 잘 차단되고 있음을 증명하기 위해서는 효소의 3D구조 정보가 필요합니다. 이러한 3D구조는 주로 우리의 생활환경과 같은 산소가 있는 상태에서 준비가 되는데, 연구에서 사용되는 대조군의 3D구조는 산소가 전혀 없는 상태에서 준비되어야 하는 어려움이 있었습니다. 연구시작당시, 국내에서는 이러한 인프라시설을 갖춘 곳이 전무하였는데 외산장비를 어렵게 국내로 도입하여 독자적인 혐기성 단백질 구조결정화 시스템을 마련하게 되었습니다.


□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

실제 폐가스CO를 바로 전처리없이 사용할 수 있는 실용화 상업용 효소개발이라고 할 수 있습니다. 현재 개발된 일산화탄소 전환효소촉매의 학문적 성과 수준과 산업체 성능 요구수준의 격차가 없다는 장점이 있습니다. 또한, 대부분의 기체가스를 전환하는 효소들에서는 저분자 가스의 이동을 내부에서 관찰하기가 매우 힘이 들어 실용화 효소촉매로 개발되는 것이 극히 드문 실정입니다. 이번 성과에서 일산화탄소 이동경로에 대한 가설증명은 일산화탄소 전환효소만이 아니라 여러 가지 가스기체 이용 효소연구의 이해에 도움을 줄 것으로 기대됩니다.


□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

제철 및 다양한 화학산업에서 발생되는 유독한 일산화탄소를 무해하게 전환할 수 있게 되고 이산화탄소 고정화반응과 쉽게 연계되는 CO수화반응 (CO hydration)을 통해 산업 폐가스를 화학원료 개미산 대량생산이 가능하게 됩니다. 개미산은 수소연료의 저장체로 주목을 받고 있고 생분해성 플라스틱 PHB 생산원료로 이용됩니다.


□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

현재 개발된 효소촉매를 이용하여 제철현장의 대규모 촉매전환 반응기(10L) 시험운전이 성공적으로 1차 진행되었는데 스케일업 반응기 (30L) 시현 및 향후 대규모 반응운전이 목표로 달성되어 국내 무탄소 배출을 통한 초격차형 신산업 창출에 단초가 되기를 기대합니다.