미생물이 유독 일산화탄소를 고부가 화학연료로 바꾼다

KAIST, "합성생물학 기술 접목해 C1 가스 바이오 리파이너리 원천기술 확보"

제조 현장에서 나오는 고농도 일산화탄소를 생체촉매를 이용해 부가가치가 높은 바이오케미칼로 바꿀 수 있게 됐다.

KAIST(총장 이광형)는 생명과학과 조병관 교수 연구팀이 산업 부생가스 등으로 대량 발생하는 고농도 일산화탄소를 고부가가치 바이오케미칼로 전환할 수 있는 생체촉매 기반 C1 바이오 리파이너리 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

C1은 일산화탄소나 이산화탄소처럼 탄소 1개로 이루어진 가스를 말한다. C1 가스를 미생물 같은 생체촉매를 활용해 다른 화학물질로 전환하는 공정을 C1 가스 바이오 리파이너리라 한다.

C1 가스 바이오-리파이너리 개요 (자료=KAIST)

조병관 교수 연구팀은 아세토젠 미생물을 생체촉매로 활용한 C1 가스 바이오 리파이너리 기술을 개발했다.

이 미생물들은 혐기성 미생물로, 우드-융달 대사회로라는 독특한 대사회로를 이용해 C1 가스로부터 아세트산을 만든다. 다만 일산화탄소 농도가 60% 이상이면 생명 활동이 약해져 생체촉매로 쓸 수 없다는 문제가 있다.

대부분 산업 공정에서 발생하는 C1 가스는 최대 70%까지 일산화탄소를 포함한다. 대표적 탄소배출 산업인 철강 공정에서 발생하는 고로가스에는 일산화탄소가 60% 이상 포함돼 있다.

연구팀은 아세토젠 미생물 중 하나인 유박테리움 리모좀(Eubacterium limosum) 균주를 고농도 일산화탄소에 지속적으로 노출해 일산화탄소 내성이 뛰어난 돌연변이체(ECO2)를 발굴했다. 이 돌연변이체는 일산화탄소가 약 60% 이상 포함된 합성가스 조건에서 야생형 미생물보다 약 6배 빠른 성장 속도를 보였다.

AI 기반 구조예측 및 단백질 돌연변이 기능 규명 (자료=KAIST)

이 돌연변이 미생물의 유전체 서열을 분석한 결과 아세틸 조효소 A 합성 단백질(acetyl-CoA synthase)을 암호화하는 유전자(acsB)에 돌연변이가 발생한 것을 규명했다. 또 인공지능 기반의 구조예측을 통해 이러한 변이가 일산화탄소 내성 강화를 유도했음을 밝혔다.

연구팀은 일산화탄소 내성이 향상된 ECO2 돌연변이 미생물을 기반으로 C1 가스를 탄소가 4개인 C4 화학물질로 전환하는 미생물 기반 생체촉매 시스템을 개발했다. ECO2 기반의 생체촉매가 가스 발효과정을 통해 야생형 미생물보다 약 6.5배 높은 생산성을 보였다.

조병관 교수는 "다양한 합성생물학 기술을 활용하면 아세토젠 미생물 생체촉매의 활용도를 더욱 개선할 수 있으며, 이러한 고효율 C1 가스 전환 생체촉매 연구는 C1 가스 바이오 리파이너리의 핵심 원천기술로 다양한 산업현장에 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1 가스 리파이너리 사업단의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '화학 공학 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.