미생물을 이용해서 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지를 개발하려는 시도는 이전부터 많이 있었습니다. 그 중에 대표적인 것은 미생물을 이용한 바이오 연료나 혹은 화석 연료 대체가 가능한 액체 연료 생산이었습니다. 최근 한국의 카이스트 (KAIST) 의 연구자들은 처음으로 직접 가솔린을 만드는 미생물을 보고했습니다.
가솔린은 알칸 (Alkane) 화합물의 일종입니다. 이는 지방족 포화 탄화 수소의 일종으로 CnH2n+n 화학식을 가진 분자입니다. 이 분자들은 모든 탄소 원자가 일렬로 배열된 n - 파라핀과 탄소 사슬 모양으로 가지가 있는 n - 이소파라핀으로 나눌 수 있습니다. 또 탄소수 n 에 따라 메탄 (n=1), 에탄 (n=2), 프로판 (n=3), 부탄 (n=4), 펜탄 (n=6), 헥탄 (n=6), 헵탄 (n=7), 옥탄 (n=8) 으로 나뉘게 됩니다. 이중 메탄/에탄/프로판등은 기체 형태로 연료로 사용하게 되면 액체지만 낮은 끓은 점을 지닌 것들은 가솔린 성분으로 중요합니다.
이제까지 대사 공학적 (metabolic engineering) 방식을 통해 대장균 (Escherichia coli ) 이나 다른 미생물을 이용해 연료로 사용가능한 탄화수소를 만들어 낸 적은 있지만 가솔린과 비슷한 바이오 연료를 만드는 미생물은 없었습니다. 카이스트의 이상엽 교수팀이 네이처에 발표한 내용에 의하면 사상 처음으로 이것이 가능하게 되었다고 합니다.
(가솔린을 생산하는 대장균의 메카니즘 Credit : KAIST )
이전에 발표된 미생물의 경우 탄소 사슬의 길이가 13 - 17 개 정도인 탄화 수소를 만들었는데 이는 디젤 대체용으로 적합한 수준입니다. 연구팀은 탄소 원자 4 - 12 개 정도로 구성된 가솔린과 비슷한 탄화수소를 만드는 대장균을 다음의 과정을 통해 만들었습니다.
1) 지방산을 만드는 데 연관된 효소들을 찾아서
2) 효소를 목적에 맞게 short chain fatty acid 생산을 주로 하도록 바이오 엔지니어링을 한 후
3) 새로운 합성 과정을 넣어 이 short chain FA 를 가솔린과 유사한 알칸으로 변형
이렇게 만든 대장균 배양액 1 L 에서 580 mg 이라는 가솔린 성분을 얻어내는데 성공했다는 것이 연구팀의 발표입니다. 여기에 필요한 효소들은 여러 미생물과 식물들에서 가져왔다고 합니다. 사실 이는 연구팀도 지적하는 것 처럼 변환 효율은 매우 낮은 편이라 실용적인 의미에서 바이오 가솔린의 대량 생산과는 거리가 먼 이야기 입니다.
하지만 국내 연구팀이 세계 최초로 바이오 가솔린을 생산하는 미생물을 만들었다는 것 자체가 쾌거라고 할 수 있을 것입니다. 현재 연구팀은 생산 효율을 높이는데 주력하고 있는데 이 가솔린과 비슷한 탄화수소는 그대로 연료로도 사용이 가능하지만 다양한 석유 화학 대체품 - 예를 들어 계면 활성제 및 윤활류 - 로도 가공하거나 사용이 가능하기 때문에 더 주목 받고 있습니다.
이번 연구를 위해 배양 된 대장균의 먹이인 포도당은 옥수수와 나무등 바이오매스를 이용해서 만들어졌다고 합니다. 결국 에너지원 자체는 바이오매스라고 할 수 있으며 대장균이 하는 일은 여기서 가솔린 비슷한 물질을 합성해 내는 것이죠. 아직까지는 효율이 매우 낮고 비용도 엄청나게 비쌀 수 밖에 없지만 향후 연구 결과에 따라서는 보다 효과적이고 저렴한 바이오 연료 개발이 가능해질 지도 모르겠습니다.
참고
Journal Reference:
- Yong Jun Choi & Sang Yup Lee. Microbial production of short-chain alkanes. Nature, 2013 DOI: 10.1038/nature12536
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