대기 중 이산화탄소 농도가 계속 상승하면서 지구 평균 기온도 급격히 상승하고 있습니다. 이를 막기 위해 신재생 에너지 보급과 전기차 보급에 힘쓰고 있긴 하나 기본적으로 산업 구조를 갑자기 바꿀 수도 없는데다 전력 생산이나 운송 수단 말고도 철강, 시멘트, 석유 화학 등 여러 산업 분야에서 화석 연료 소비량이 많아 단기간에 쉽게 줄이기 어려운 것이 현실입니다.
따라서 공장이나 발전소에서 발생하는 이산화탄소를 포집해 저장하는 이산화탄소 포집 및 저장 기술 (CSS)이 주목받고 있습니다. 그리고 단순히 분리 저장하는 것이 아니라 이산화탄소를 이용해 유용한 물질를 생산하는 기술을 개발하고 있습니다.
참고로 우리나라 역시 이산화탄소 배출이 많은 시멘트 공장에서 이산화탄소를 수집해 수소와 반응시켜 메틴올을 만드는 플랜트의 시험 운전에 돌입힌 상태입니다.
(국내 첫 이산화탄소 - 메탄올 실증 플랜트)
이론적으로 이산화탄소를 메탄올이나 다른 석유 화학 대체 제품으로 만드는 일은 얼마든지 가능합니다. 하지만 문제는 변환에 들어가는 에너지와 비용입니다. 노스웨스턴 대학 및 스탠포드 대학의 연구팀은 이산화탄소를 원료로 생화학적인 방법을 이용해 다양한 원료 물질을 가공하는 연구를 진행했습니다.
사실 지구상의 모든 식물은 이산화탄소를 이용해 광합성을 하고 이를 바탕으로 온갖 분자를 만들어냅니다. 우리가 쓰는 석탄이나 석유 같은 화석 연료 모두 이것이 변형된 결과물이라고 생각하면 우리 역시 특정 미세조류나 박테리아를 이용해 자연과 마찬가지로 이산화탄소로 화석 연료 대체물질을 만들 수 있습니다.
하지만 실제 살아 있는 세포는 인간이 필요로 하는 물질이 아니라 자신의 생명 활동에 필요한 물질과 대사 위주로 진행하기 때문에 생산성이 대단히 낮은 문제가 있습니다. 연구팀은 이산화탄소에서 얻은 포름산염 (Formate)을 생명체에 흔한 물질인 acetyl-CoA로 만든 다음 다시 말레이트 (malate)처럼 식료품, 화장품 및 생분해성 플라스틱 같은 상업적으로 유용한 제품의 합성에 사용되는 물질로 바꾸는 과정을 개발했습니다.
이 과정은 세포 안에서도 일어나지만, 세포는 여러 가지 물질을 만들어내므로 그 효율은 낮을 수밖에 없습니다. 연구팀은 세포막을 녹인 후 그 안에 있는 66가지 기본 효소와 그 변이 중 약 3,000여 가지를 매주 시험해 가장 적합한 효소들을 선발했습니다. 그 결과 포름산염을 아세틸 CoA, 그리고 메탄올이나 말레이트 같은 유용한 물질로 바꾸는 효율적인 생화학 과정을 개발할 수 있었습니다. 연구팀은 이 접근법을 Reductive Formate Pathway (ReForm)라고 명명했습니다.
살아 있는 세포를 이용한 바이오 연료 및 각종 생화학 물질 제조는 오래전부터 연구되어 왔으나 아무래도 생산성과 경제성에 문제가 있었습니다. 따라서 세포 전체가 아니라 세포에서 필요한 효소만 추출해 사용하는 방법을 개발한 것인데, 좀 더 산업적으로 적용할 수 있는 방식으로 생각됩니다. 실제로 상업화가 될 수 있을지 주목됩니다.
참고
https://phys.org/news/2025-12-artificial-metabolism-chemicals.html
A synthetic cell-free pathway for biocatalytic upgrading of formate from electrochemically reduced CO2, Nature Chemical Engineering (2025). DOI: 10.1038/s44286-025-00315-6.
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