[판교테크노밸리]이산화탄소에서 아세톤 생산 기술 최초 개발-석유화학 대체로 기후변화 대응의 새로운 돌파구 열려

이산화탄소에서 아세톤 생산 기술 최초 개발-석유화학 대체로 기후변화 대응의 새로운 돌파구 열려

 

등록일 2016-02-29

 

이산화탄소에서 아세톤 생산 기술 최초 개발-석유화학 대체로 기후변화 대응의 새로운 돌파구 열려

 

◇ 우한민 박사팀, 식물분야 세계적 학술지 플랜트 바이오테크놀로지 저널에 게재

◇ 태양광과 이산화탄소만으로 아세톤을 생산할 수 있는 인공 시아노박테리아 개발

 

 

□ 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소를 활용하여 기존의 석유화학 제품을 대체할 수 있는 탄소자원화* 원천기술이 개발되었다.

* 탄소자원화 : 저급 탄소 원료(이산화탄소 등)를 이용하여 다양한 탄소화합물로 전환하는 고부가화 기술

 

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 인공 시아노박테리아**를 이용하여 태양광과 이산화탄소에서 아세톤***을 직접 생산할 수 있는 태양광세포공장****을 최초로 개발하였다고 밝혔다.

** 시아노박테리아 : 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 식물보다 빠른 세포성장과 생산할 수 있다.

*** 아세톤 : Cumeme 공법에 의해 페놀 생산 공정의 병산물로 발생하며, 아크릴 수지 및 BPA, 용제 등으로 사용된다.

**** 태양광세포공장 : 미생물대사공학기술을 이용하여 인위적으로 다양한 화학제품을 대량 생산하는 공장의 개념인 ‘세포공장’에 무한한 태양광에너지를 적용하여 광합성이 가능한 세포공장

 

□ 한국과학기술연구원(KIST) 우한민 박사 연구팀은 미래창조과학부 특화전문대학원 학연협력 지원사업을 지원 받아 고려대 심상준 교수와의 공동연구로 수행한 결과,

 

○ 인공 시아노박테리아의 미생물을 유전자 재조합 기술 (합성생물학과 대사공학*****)로 이용하여 특정 유전자를 삽입하여 태양광과 이산화탄소가 있는 조건에서 광합성 아세톤을 만드는 생물학적 기술 개발에 성공했다.

***** 합성생물학과 대사공학 : 합성생물학은 생명과학적 이해의 바탕에 공학적 관점을 도입한 융합생물공학으로 자연계에 존재하지 않은 생물 구성요소와 시스템을 설계 및 제작하는 분야를 포함하며, 대사공학은 유용 화학제품 및 생물소재의 대량생산을 위해서 세포의 대사과정을 인위적으로 조절하는 학문임.

○ 시아노박테리아는 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 식물보다 빠른 세포성장과 생산을 할 수 있으며, 주위 환경에 따른 세포성장과 생산을 조절할 수 있다.

○ 연구팀은 합성생물학의 기술을 통해 기존 유전자발현시스템을 재설계하고 모듈화된 발현시스템을 구축하였으며, 반응율속단계******를 우회하는 경로를 도입하여 이산화탄소에서 아세톤을 생산할 수 있도록 대사공학기법을 활용하였다.

****** 반응율속단계 : 복잡한 다단계 화학반응 (생화학 및 효소반응 포함)에서 전체 반응속도를 결정하는 가장 느린 반응단계

 

□ 아세톤은 공업과 화학에서 사용되는 중요한 유기용매 및 화학 중간물질로 석유화학공정에서 이산화탄소 발생과 함께 생산된다. 그러나 이번에 개발된 태양광세포공장(인공 시아노박테리아)은 태양광과 시아노박테리아만으로 아세톤을 생산하면서도 또 다른 이산화탄소 배출이 없어 공기 중의 이산화탄소를 획기적으로 줄일 수 있는 친환경탄소자원화기술로 활용될 수 있다.

 

○ 석유화학제품을 친환경 바이오화학제품으로 대체할 경우 석유자원 사용량은 최대 65% 감축이 가능하고, 이산화탄소 발생량도 최대 67% 저감이 가능하다(한국과학기술기획평가원, 석유대체 친환경 바이오화학 산업정책 동향 및 R&D 이슈, 2012년).

 

□ 우한민 박사는“이번 연구결과는 지구 온난화에 영향을 미치고 있는 이산화탄소를 순수하게 줄여 나갈 수 있는 기술로 바이오화학제품, 바이오연료 생산 등 쏠라-바이오리파이너리 기술에 적용될 수 있어 향후 기후변화에 대응하는 새로운 돌파구가 될 것”이라며 연구의 의의를 설명했다.

******* 쏠라-바이오리파이너리(Solar-biorefinery) : 오일리파이너리(Oil refinery)와 대응되는 용어로 태양광-바이오기술을 통하여 다양한 화학제품을 생산할 수 있는 기술

 

□ 이 연구성과는 식물과학 분야 세계적 학술지 플랜트 바이오테크놀로지 저널(Plant Biotechnology Journal)에 2월 16일 게재되었다.

 

 

 

참고1

논문의 주요내용

 

o 논문명 : Engineering of a modular and synthetic phosphoketolase pathway for photosynthetic production of acetone from CO2 in Synechococcus elongatus PCC 7942 under light and aerobic condition(광 및 호기조건 시 시네코코커스 엘롱게투스 PCC 7942 균주의 이산화탄소로부터 광합성 아세톤 생산을 위한 모듈화 및 합성 포스포케톨레이즈 경로의 엔지니어링)

 

1. 연구의 필요성

○ 기후변화에 대응하기 위한 노력으로 이산화탄소의 저감 및 전환 기술의 개발이 요구되고 있으며, 특히 이산화탄소 저장기술 이 외에 이산화탄소 전환기술로 석유화합물을 대체하는 자원화기술개발이 주목을 받고 있다.

○ 최근 대사공학과 합성생물학의 발달로 기존의 대장균 및 효모의 유전공학 기술 이 외에 이산화탄소를 고정화 할 수 있는 광합성 미생물 (시아노박테리아 포함)을 유전공학 기술이 발표되고 있어, 시아노박테리아를 이용한 쏠라-바이오리파이너리 제품 생산 기술 개발이 요구되고 있다.

2. 발견 원리

○ 우한민 박사팀은 세계 수준의 시아노박테리아 대사공학기술로 이산화탄소를 고탄소 화합물로 전환하고 동시에 미생물 배지 및 반응기에서 쉽게 분리할 수 있는 석유화합물로 아세톤을 선정하였다.

○ 기존의 방법은 클로스트리디움 속의 균주 내에 존재하는 아세톤 생합성 경로를 시아노박테리아에 도입하여 태양광이 없고 혐기 조건에서 아세톤이 생산하는 연구결과를 보고 하였으나, 태양광 조건 및 세포성장 조건에서 아세톤의 생산할 수 있는 반응율속단계를 넘지 못하였다.

○ 본 연구에서는 시아노박테리아의 성장 시 아세톤 생합성 전구체를 이용하여 아세톤 생산 반응율속단계를 파악하고, 반응율속단계를 우회할 수 있는 생합성 반응 경로를 새롭게 디자인하고 시아노박테리아에 도입함으로써 태양광 조건에서 이산화탄소를 직접 전환하여 세계 최초로 아세톤을 생산할 수 있는 인공 시아노박테리아를 개발하였다.

3. 연구 성과

○ 본 연구에서는 합성생물학과 대사공학 기술을 이용하여 이산화탄소 고정화 가능 시아노박테리아를 인위적으로 조작하여, 이산화탄소로부터 직접 아세톤으로 전환하는 인공 시아노박테리아를 개발하였으며, 이를 통하여 이산화탄소의 대량 저감 및 아세톤으로의 전환하는 탄소자원화 원천기술이 확보되었다.

○ 또한 아세톤 이 외의 석유대체물질을 이산화탄소로부터 생산할 수 있는 쏠라-바이오리파이너리 원천기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.

o 저자 정보 : 교신저자 우한민 박사(한국과학기술연구원), 제1저자 좌준원(한국과학기술연구원), 공동저자 김욱진(한국과학기술연구원), 심상준(고려대), 엄영순(한국과학기술연구원)

 

 

참고2

연구결과 개요

 

 

1. 연구배경

ㅇ 글로벌 기후 변화 대응의 일환으로 국제적으로 합의된 COP21에 근거하여, 적극적인 이산화탄소의 저감 노력이 필요하며, 기존의 발생된 이산화탄소의 포집 및 저장 기술 (CCS기술)개발이 본격적으로 논의되었다. 특히, CCS기술 기술에서 이산화탄소 저장과 함께 적극적인 이산화탄소를 전환할 수 있는 기술이 대두되고 있다.

ㅇ 현재 화학적으로 이산화탄소와 태양광만을 이용하여 고탄소 화합물을 선택적으로 생산하는 공정은 존재하고 있지 않다. 반면, 시아노박테리아 및 미세조류는 자연계 태양광과 이산화탄소만를 이용하여 산소를 만들어 내면서 세포성장을 한다. 따라서 자연계 존재하는 이산화탄소 고정화 능력에 유전공학기술을 도입하여, 적극적으로 이산화탄소를 전환하는 기술이 필요하다.

ㅇ 생물학적 이산화탄소를 전환하는 미세조류의 경우, 이산화탄소를 효과적으로 고정화하여 세포내 바이오디젤을 축적하는 연구기술이 발표되고 있으나, 기존 석유화학제품을 완전 대체할 수 있는 화합물을 생산하기 위한 유전공학의 기술의 부재가 한계점으로 지적되고 있다.

ㅇ 최신 우수한 미생물유전공학기술의 발전으로 미생물공학 기술을 이용하여, 친환경 탈석유화 사회를 위한 바이오화학분야 연구가 활발히 진행되고 있다.

ㅇ 따라서 이산화탄소의 저감 및 활용을 위해, 광합성 미생물인 시아노박테리아에 유전공학기술에 도입하여, 이산화탄소에서 선택적으로 석유화학대체 유용한 물질을 생산할 수 있는 기술이 필요하다.

2. 연구내용

ㅇ 본 연구는 대사공학 기술을 이용하여, 이산화탄소에서 선택적으로 아세톤을 생산할 수 있는 대사경로를 제시하였고, 세포내 반응율속단계를 우회하는 경로를 도입하여, 태양광과 이산화탄소만을 이용하여 아세톤을 생산 및 증산시키는 연구를 수행하였다.

ㅇ 기존의 연구는 태양광과 이산화탄소로 시아노박테리아에서 아세톤을 생산하지 못하였으며, 암반응 및 배양최적화기법으로 아세톤을 생산하였다. 본 연구에서는 세포 대사 내에 존재하는 아세틸코에이(아세틸 조효소)의 공급단계를 아세톤 생산의 반응율속단계로 규명하고, 이산화탄소부터 우회할 수 있는 포스포케톨레이즈 반응경로를 이용하여, 반응율속단계를 극복하였으며, 이를 통해서 세계최초로 태양광 조건에서 이산화탄소만으로 아세톤을 생산하는 연구결과를 도출하였다.

ㅇ 광합성 아세톤생산 시 반응율속단계를 확인하고 검증하기 위해, 합성생물학기술과 대사공학 전략을 이용하여 모듈화된 유전자 발현 시스템을 구축하고, 다양한 유전자를 합성 및 발현시켜, 포스포케톨레이즈 반응경로가 효과적임을 제안하였다.

ㅇ 아세톤을 생산하는 반응경로 중에서 아세틸코에이(아세틸 조효소)에서 아세토아세틸코에이로 전환되는 경로도 우회하여, ATP소비하는 대사반응을 원동력으로 동시에 포스포케톨레이즈 반응경로를 통해서 아세톤을 증산하였으며, 포스포케톨레이즈 반응경로의 우수성을 또한 증명할 수 있었다.

ㅇ 향후 인공 시아노박테리아의 이산화탄소로부터 아세톤 생산량을 높임과 동시에 다양한 석유화합물을 대체할 수 있는 연구를 수행하기 위해, 세포반응환경이 정확히 조절되는 편형광반응기를 이용하여, 아세톤을 자동으로 분리하였으며 생산 수율을 높이는 연구도 병행하였다.

3. 기대효과

○ 석유화학제품을 친환경 바이오화학제품으로 대체할 경우, 석유자원 사용량은 최대 65% 감축 및 이산화탄소 발생량 최대 67% 저감이 가능하다. ※ (한국과학기술기획평가원, 석유대체 친환경 바이오화학 산업정책 동향 및 R&D 이슈, 2012년)

ㅇ 따라서, 본 연구결과를 통하여 인공 시아노박테리아를 이용하여 이산화탄소로부터 석유화학제품 대체 아세톤을 생산하였으며, 추가 균주개발 및 공정최적화, 스케일-업 과정을 거쳐 태양광-이산화탄소기반 고효율 아세톤생산이 가능할 것으로 기대된다.

ㅇ 또한 최근 유전공학기술 (유전자편집기술 등)이 급속하게 발전되고 있어, 새로운 반응율속단계를 극복하고 이산화탄소의 고정화 능력을 향상시켜, 기존의 균주보다 우수한 균주를 개발 수 있을 것으로 판단된다. 동시에 새로운 대사반응경로를 확보하여, 다양한 석유화학제품을 대체할 수 있는 다양한 인공 시아노박테리아가 개발될 것으로 판단된다.

ㅇ 인공 시아노박테리아를 이용한 쏠라-바이오리파이너리 기술을 적극적인 탄소자원화기술의 한 분야로 개발하고 사업화하여, 국내 2030년도 우리나라 온실가스 감축목표 전망치 (BAU) 대비 37% 감축 목표 달성을 위해 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

 

참고3

연구이야기

 

 

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

본 연구책임자는 미국 국립버클리연구소 박사후 연구원시절 합성생물학에 관한 연구를 시작하였으며, 귀국 후 합성생물학의 미생물학 응용연구를 진행하여 일부 연구성과를 보고하였음. 현재 기후변화에 대응하기 위한 이산화탄소의 저감기술이 필요한 시점이며 동시에 탄소자원화의 관점에서 이산화탄소를 전환한 하는 생물학적 기술이 필요함. 본 연구는 세계최초로 태양광조건에서 이산화탄소를 아세톤으로 전환한 연구 결과이며, 기존의 반응율손단계를 극복하는 새로운 대사경로를 제시하고 적용하여 태양광과 이산화탄소을 아세톤으로 전환함.

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

본 연구는 광합성시 아세톤이 생성되지 않은 대사경로를 파악하여, 대사 중심물질은 아세틸코에이 (아세틸 조효소)의 제한공급이 문제가 됨을 파악하고, 타 종의 대사경로를 합성/도입하여 아세톤의 생산 가능성을 보여줌. 더 나아가서 모듈화된 대사경로를 이용하여 유용산물을 증산시키기 위한 대사공학의 전략을 동시에 접목하여, 이산화탄소에서 아세톤을 직접 생산함.

 

 

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

 

시아노박테리아의 대사공학 및 합성생물학 연구는 국내에 전무후무하고, 세계적으로 아주 어려운 기술로 알려져 있다. 어렵고 창의적인 연구를 위해 연구진이 고민하고 있을 때, 특화전문대학원 사업 (그린스쿨)을 통해서 연구비의 지원과 창의적인 대학학생의 수급 그리고 미세조류의 경험을 갖고 있는 고려대 심상준 교수의 도움을 통해서, 국내최초로 시아노박테리아 엔지니어링 기술을 확보하고, 세계적으로 우수한 연구 결과를 상위 5% 연구저널에 발표를 함.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

기존에 이산화탄소를 활용 및 전환하는 미세조류는 세포내 지질을 축적하고, 세포파괴를 통해서 지질을 획득한 후, 촉매반응공정을 거쳐서 바이오디젤을 생산하는 다단계 공정임. 또한 바이오디젤이외의 석유화합물 대체 물질을 생산하기 위한 유전공학기술이 부재함. 이번 성과는 태양광과 이산화탄소를 전환할 수 있는 시아노박테리아의 유전공학 기술을 도입하여, 인공 시아노박테리아를 개발하였으며, 그 핵심 원천기술을 확보하여 아세톤이외에 석유화합물을 대체할 수 있는 계기를 마련하였음.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 

우선 이산화탄소의 저감 및 탄소자원화를 위해서 현재 개발된 아세톤 생산균주의 효율 및 성능을 높이는 연구에 매진할 것이며 동시에 사업화를 염두하고, 스케일업 공정 및 공정 최적화에 관한 연구도 병행하고자 함. 또한 국내최초 및 세계와 어께를 나란히 하는 시아노박테리아 균주 개량 기술에 바탕하여, 이산화탄소로부터 국내에 필요한 석유화학물대체 물질의 생산에도 매진할 계획을 갖고 있음

 

 

참고4

용어설명

 

 

1. 시아노박테리아 (Cyanobacteria)

○ 빛과 이산화탄소만으로 산소를 만들어내고 세포성장을 하는 광합성 미생물로 남세균이라고도 불리며, 다양한 서식지에서 발견되고 물속에서 폭발적인 증식을 한다.

2. 인공 시아노박테리아 또는 유전자 재조합 시아노박테리아

○ 유전공학 기술을 이용하여 야생형 시아노박테리아의 유전체를 편집 및 재조합하여 새로운 형질을 갖도록 유도된 시아노박테리아를 인공 시아노박테리아라 할 수 있다. 태양광과 이산화탄소를 이용하여, 유도된 형질을 통하여, 탄소대사회로가 변형되며 새로운 대사화합물이 만들어지는 광합성 세균이다.

2. 대사공학 (Metabolic engineering)

○ 유용 생물소재의 대량생산을 위하여 유전공학기술을 이용하여 세포의 대사과정을 인위적으로 조절하는 기술로 정의되고, 최근에는 다수의 유전자를 조작하거나 다른 생물종의 유전자를 도입하여 새로운 대사회로를 구성하여 세포를 재설계하는 기술로 확대되고 있다.

3. 합성생물학

○ 생명 과학적 이해의 바탕에 공학적 관점을 도입하여 자연 세계에 존재하지 않은 생물 구성요소와 시스템을 설계 및 제작하는 분야를 포함하는 학문으로, 유전자와 단백질 수준에서 인공적으로 생물을 합성하며, 고성능, 고효율의 생물학적 시스템을 생산하기 위해 부품화, 표준화, 모듈화라는 걔념을 도입하고 있다. 생물학 뿐만 아니라 기계, 전기, 전자 및 컴퓨터의 논리적 사고를 도입하는 융합학문이다.

4. 포스포케톨레이즈 반응경로

○ 대사과정에서 자일로오즈 5-인산에서 아세틸인산와 글리세알데아하이드 3-인산으로 전환시키는 생화학 반응 경로로써, 단백질효소는 EC 4.1.2.9으로 분류된다.

 

참고5

그림설명

 

 

 

- 유전공학기술을 이용하여 합성생물학의 모듈화전략을 도입하여 이산화탄소로부터 아세톤을 생산하는 인공 시아노박테리아를 개발하였으며, 대사공학 전략을 추가로 도입하여 시아노박테리아 내 반응율속단계를 극복하는 우수한 인공 시아노박테리아를 개발하였다. 또한 편형광반응기를 이용하여 고농도 이산화탄소로부터 아세톤을 생산하였으며, 자동으로 시아노박테리아 배지로부터 분리가 되는 반응공정을 동시에 제시하였다.