고농도 이산화탄소 전환 광합성 미생물 개발
산업현장에서 배출되는 고농도 이산화탄소로부터 직접 고부가가치물질을 빠르게 생합성할 수 있는 개량 미세조류가 소개됐다.
※ 미세조류 : 광합성 미생물의 총칭. 1 톤의 미세조류 배양을 통해 약 2 톤의 이산화탄소 고정이 가능할 정도로 이산화탄소 감축 잠재력이 높음.
한국연구재단은 심상준 교수(고려대학교) 연구팀이 미세조류에 혹독한 고농도의 이산화탄소를 바이오연료 같은 고부가가치물질로 고속 전환시킬 수 있는 생물학적 이산화탄소 저감 기술을 개발했다고 밝혔다.
이산화탄소를 탄소원으로 이용하는 미세조류는 이산화탄소를 활용해 직접 생분해성 플라스틱 같은 고분자, 바이오디젤 같은 바이오 연료, 의약품 등을 생산하는 데 이용될 수 있어 주목받고 있다.
하지만 미세조류는 고농도 이산화탄소에 대한 내성이 낮기 때문에 산업 전반에서 대량으로 발생하는 고농도 이산화탄소를 효율적으로 저감 및 전환하는 데는 한계가 있었다.
※ 이산화탄소 내성 : 고농도 CO2에 의해 유발되는 세포 독성 효과(세포 내부 산성화 등)에 대한 저항성. CO2 내성이 증가하면 산업 배출가스 내 고농도 CO2를 공급하더라도 세포 사멸에 이르지 않고 CO2를 효율적으로 유용물질화할 수 있게 됨.
연구팀은 미세조류에서 이산화탄소 내성이 낮은 것이 고농도 이산화탄소 환경 하에서 원형질막 수소 이온-ATP 분해효소의 발현이 저조하기 때문임을 알아냈다.
※ 원형질막 수소 이온-ATP 분해효소 : 세포 원형질막에 존재하는 수소 이온(H+) 배출 펌프의 하나. 식물 및 곰팡이에서 세포 내부 산성도(pH) 조절에 핵심적 역할을 하는 단백질.
실제 식물에서 유래한 이 분해효소 유전자를 미세조류 내에 도입하여 지속적으로 이 생체 펌프를 발현하도록 개량하자 그렇지 않은 야생형 미세조류 대비 이산화탄소 내성이 3배 이상 높아졌다.
이산화탄소 용해 및 관련 물질대사의 결과로 미세조류 내에 지속적으로 축적되는 수소 이온을 이 생체 펌프가 세포 밖으로 원활하게 배출시켜 산성 환경에서도 미세조류의 활성을 유지할 수 있었기 때문이다.
연구팀은 옥외 대량 배양실험을 통해서도 이산화탄소 내성 향상 효과를 확인했다. 고농도 이산화탄소가 포함된 석탄 연소가스에 직접 노출시킨 경우에도 야생형 미세조류 대비 2배 이상 빠르게 이산화탄소를 바이오매스 및 바이오연료로 전환시키는 것으로 나타났다.
심상준 교수는 “개발된 이산화탄소 내성 증대 미세조류 균주는 실제 산업 배출가스를 활용한 대규모 배양 현장 테스트를 통해 검증된 만큼 2050년 탄소중립 실현을 위한 실질적 생물학적 고속 이산화탄소 저감 및 전환 기술로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업’등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 10월 18일 게재(온라인)되었다.
주요내용 설명
<작성 : 고려대학교 심상준 교수>
논문명
Augmented CO2 tolerance by expressing a single H+-pump enables microalgal valorization of industrial flue gas
저널명
Nature Communications
키워드
이산화탄소 (carbon dioxide; CO2), 미세조류 (microalgae), CO2 내성 (CO2 tolerance), CO2 포집 및 활용, 저장 (CO2 capture, utilization, and utilization, CCUS)
DOI
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26325-5
저 자
심상준 교수(교신저자/고려대학교), 최홍일 박사후연구원 (제1저자/고려대학교), 황성원 석사 (제1저자/고려대학교)
1. 연구의 필요성
○ 이산화탄소(CO2)는 온실가스의 하나로 매년 320억 톤 이상이 대기 중으로 배출된다고 알려져 있다. 에너지 생산, 철강, 시멘트 및 석유 화학 공정 등 산업 전반에서 광범위하게 발생하고 있다.
○ 이로 인해 대기 중 연간 평균 CO2 농도는 현재 412.5 ppm에 이르고 있으며 이는 1차 산업 혁명 이전에 비해 50% 이상 높은 수치로 인류의 존속을 위협하는 기후 위기의 명백한 주범으로 지목되고 있다.
○ 국제사회는 2016년 11월 4일 발효된 “파리기후협약(Paris Climate Agreement)”을 통해 CO2 배출량 감축을 기반으로 산업 혁명 이전 대비 지구 평균온도 상승을 1.5 ℃ 이내로 억제하는 목표를 수립하여 여러 정책적, 기술적 노력을 기울이고 있다.
○ 이에 발맞춰 대한민국 또한 최근 대통령 직속 기구 탄소중립위원회를 통해 2030년까지 2018년 온실가스 배출량 대비 40% 감축하고 나아가 2050년에는 완전한 탄소중립 상태인 ‘넷제로(Net zero)’를 달성하겠다는 의욕적인 자발적 감축 목표를 제시하였다.
○ 현재 산업 구조를 고려하면 CO2 배출은 불가피하기 때문에 상술한 도전적 목표를 성취하기 위해서는 CO2 포집 및 활용, 저장 기술(CO2 capture, utilization, and storage, CCUS)의 개발 및 활용이 반드시 필요하다.
○ 광합성은 태양으로부터 무한히 공급되는 빛에너지만을 활용하여 CO2를 고정할 수 있는 생물학적 기작으로 인류가 사용할 수 있는 가장 확실한 CO2 감축 기술이며 현재 지구 탄소 순환의 큰 부분을 책임지고 있다.
○ 광합성 미생물인 미세조류(microalgae)는 여러 광합성 생물 가운데 CO2 흡수능력이 가장 뛰어날 뿐만 아니라(1 톤 미세조류 배양을 통해 약 2 톤의 CO2 고정 가능) CO2를 유일 탄소원으로 활용하여 바이오 연료, 생분해성 바이오 폴리머(플라스틱), 건강기능물질 및 의약품 등 인류가 필요한 대부분의 유용물질을 생산할 수 있는 매력적인 생물학적 플랫폼이다. 하지만 현재까지 미세조류의 낮은 CO2 내성으로 인해 CO2 감축 기술로서 효율적이며 실질적 활용이 제한되어 왔다.
2. 연구내용
○ 연구팀은 미세조류 기반 CO2 전환 기술의 실제 활용성을 높이기 위해 균주의 CO2 내성을 높이는 것이 가장 시급한 것으로 판단하였다. 대부분의 산업 현장에서 발생되는 배출가스에 포함된 CO2는 미세조류가 효율적으로 활용할 수 있는 농도를 넘어서기 때문에(10% 이상) 야생형 균주에 직접 적용하였을 경우 심각한 성장 억제와 그로 인한 유의미한 CO2 전환 속도 및 효율의 감소가 발생하기 때문이다.
○ 상기 한계를 돌파하기 위하여 미세조류의 고농도 CO2 조건 하 전사체 분석을 통해 미세조류 균주의 낮은 CO2 내성의 원인이 원형질막 수소 이온-ATP 분해효소의 이상 저발현임을 최초로 규명함으로써 단 한 종의 단백질, 즉 식물 유래 PMA의 구성적 발현을 통해 미세조류의 CO2 내성을 획기적으로 증대하는 유전공학적 전략을 수립하였다.
※ 전사체(Transcriptome) : 세포 내 전사(Transcription) 산물의 총합. 생물의 유전자 발현조절 분석에 활용되며 주어진 환경에서 세포 유전체의 기능적 요소를 해석하는데 있어 필수적이다.
※ 원형질막 수소 이온-ATP 분해효소(Plasma membrane H+-ATPase, PMA) : 세포 원형질막에 존재하는 수소 이온 (H+) 배출 펌프의 하나로, 세포 내부 pH 조절에 핵심적 역할을 하는 단백질이다.
※ 구성적 발현(Constitutive expression) : 세포 내외의 자극에 관계없이 세포 내 유전자 발현을 일정한 수준에서 일어나게 하는 것을 의미한다.
○ 상술한 유전공학적 접근법을 통해 개발된 미세조류 균주는 고농도 CO2 및 산성 조건에서 세포 내에 지속적으로 축적되는 수소 이온 (H+)의 원활한 배출이 가능하여 고농도 CO2에 대한 내성이 세계 최고 수준으로 향상되었으며(야생형 균주에 비해 3배 이상 증대) 또한 아생형 균주가 일반적으로 생존하지 못하는 산성 조건에서도 활발한 세포 분열 및 활성을 보였다.
※ 야생형 균주(Wild-type) : 자연에서 가장 높은 빈도의 유전형을 가진 균주로 개발하고자 하는 미세조류의 모균주(parent strain)가 되는 세포.
○ 본 연구를 통해 확보된 균주의 실제 활용 가능성, 즉 CO2 저감 및 유용물질로의 전환 능력을 검증하기 위해 고농도 CO2가 포함된 실제 산업 배기가스를 공급하여 옥외 대량 배양 현장 테스트를 진행한 결과 야생형 균주와 비교하여 개발된 균주에서 CO2 전환 속도가 2.23배 향상되었을 뿐만 아니라 대표적 미세조류 유래 유용물질인 고체연료(열량 생산성으로서) 생산성은 2.20배, 바이오디젤(지방산 메틸 에스터로서) 생산성은 4.68배 이상 향상된 것을 확인할 수 있었다.
3. 기대효과
○ 미세조류의 CO2 내성 증대를 통해 가장 에너지 효율적 CO2 저감 기작인 광합성을 인류가 효율적으로 활용할 수 있도록 했다. 즉, 유전공학을 통해 산업 전반에서 불가피하게 발생되는 고농도 CO2를 미세조류가 직접 고속으로 전환할 수 있는 능력을 부여함으로써 현재 전세계적 화두인 탄소중립 사회 구축을 위한 하나의 큰 기술적 토대를 마련한 것이다.
○ 뿐만 아니라 CO2가 더 이상 감축 및 처리해야 할 대상만이 아닌 하나의 유용한 탄소 자원으로 활용될 수 있음을 보여준 본 실증적 연구 사례로 확보된 균주를 기초로 하여 추가 균주 개량 시 바이오 연료 외 생분해성 플라스틱 등 더욱 다양한 CO2 유래 고부가 유용물질의 고속 생산을 기대할 수 있다.
(그림1) 고농도 이산화탄소 등 산성 환경에 대한 내성이 증대된 미세조류 균주의 성능
전사체 분석을 통해 결정된 타깃 단백질인 원형질막 수소 이온(H+)-ATP 분해효소의 과발현을 통해 야생형 균주(WT)에 비해 향상된 두 미세조류 균주(PMA4ΔCter-V4, PMA4ΔCter-V10)의 산성 및 고농도 CO2 환경에 대한 내성 평가 결과
(그림에 대한 구체적 설명)
산성 조건에서 미세조류 균주들의 (a) 고체 배지 상 배양 결과 및 (b) 액체 배지 상 배양 결과. 야생형 균주의 경우 낮은 산성 내성으로 모두 사멸에 이름.
(c) 개발된 미세조류 균주의 증대된 수소 이온(H+) 배출 능력.
(d) 고농도 CO2(20%) 환경 하 3배 이상 증대된 바이오매스 생산성과 CO2 전환 속도.
그림 설명 및 그림 제공 : 고려대학교 심상준 교수
(Modified from Nature Communications 12, 6049 (2021))
(그림2) 고농도 이산화탄소 포함 실제 산업 배출가스 활용 미세조류 이산화탄소 전환 성능 및 유용물질 생산 실증을 위한 현장 테스트
유전공학적 전략을 통해 개발된 미세조류 균주(PMA4ΔCter-V4)와 야생형 균주(WT)의 CO2 전환 플랫폼으로서 실용성 검증을 위한 옥외 대량 배양 결과
(그림에 대한 구체적 설명)
(a) 고농도 CO2 및 기타 유독 성분이 포함된 석탄 연소 배기가스를 활용한 실제 바이오매스 및 유용물질 생산을 위한 옥외 대량 배양 평가.
(b) 향상된 고농도 CO2 내성으로 인한 개발 미세조류의 고속 CO2 전환(2.23배) 및 바이오매스 생산(2.28배) 성능. 대표적 미세조류 유래 유용물질인 바이오디젤, 고체연료 및 지질 생산성 또한 각각 4.68배, 2.2배 및 2.21배 향상되었음을 확인.
그림 설명 및 그림 제공 : 고려대학교 심상준 교수
(Modified from Nature Communications 12, 6049 (2021))
연구 이야기
<작성 : 고려대학교 심상준 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
2016년 파리기후협약 발효 이후 탄소중립에 대한 전지구적 관심이 뜨겁다. 지금까지 온실가스의 저감을 위한 여러 CO2 포집 및 활용, 저장(CO2 capture, utilization, and storage, CCUS) 기술이 제안되어 왔지만 실용화된 사례는 드물다. 2050년 “넷제로” 달성을 위해서 이제 CCUS 기술은 그 실용성을 높이는 방향으로 진행해야 한다. 이번 연구도 마찬가지로 미세조류 기반 CO2 전환 기술이 왜 아직 실용화되지 못하고 있는가에 대한 의문에서 시작되었다.
미세조류는 CO2 저감 및 전환에 있어 엄청난 잠재력을 가진 생물학적 플랫폼이지만 상용화 사례는 손에 꼽을 만큼 실용화가 더디기 때문이다. 본 연구팀은 20년 이상의 미세조류 연구 및 배양 경험에서 얻은 교훈을 바탕으로 미세조류의 고농도 CO2에 대한 낮은 내성이 미세조류의 CO2 전환 플랫폼으로서 활용성을 심각하게 저해하는 핵심 원인 중 하나로 규정할 수 있었고 그에 따라 이 한계가 극복될 경우 그 기술적 파급 효과가 매우 클 것으로 예상하였다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
미세조류를 이용한 이산화탄소 저감 공정은 실외에서 이루어지기 때문에, 각종 오염원에 노출되어있다. 연구 초기엔 우리가 원하는 미세조류만을 순수하게 배양하는게 어려워 힘들여 접종한 세포들이 사멸하는 경우가 빈번히 발생했다. 미세조류 대규모 배양을 실현하기 위해서는 순수배양 기술확보가 우선이라고 판단하여 실외에서도 박테리아, 곰팡이 등에 의한 오염을 효과적으로 방지할 수 있는 자체 프로토콜을 확보했다.
이외에도 미생물을 배양하는 저비용 고효율 광생물반응기를 대규모화하는 연구, 저렴한 배양액 제조 체계 확보 등 실외에서의 미세조류 배양 대규모화를 위한 연구를 지난 20년간 꾸준히 진행해왔다. 이번 연구에서 개발한 균주를 바로 현장 테스트에 적용할 수 있었던 것도 이러한 노하우들이 바탕이 되었다. 일반적으로 유전공학적 연구를 수행하는 팀에서 개발한 균주가 대규모 배양으로 이어지는 사례가 희귀한데, 본 연구팀의 대량 배양 평가와 결합된 전주기적 연구 능력을 높게 평가받은 것이 아닌가 생각된다.전주기적 연구 능력을 높게 평가받은 것이 아닌가 생각된다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
현재까지 미세조류 연구는 대부분 실험실 스케일에서 단순히 성장성을 향상시키거나 세포 내 합성될 수 있는 유용물질의 생산성을 높이는 방향으로 진행되어 왔다. 물론 앞서 말한 연구 접근법 또한 충분히 의미가 있지만 본 연구팀은 조금 더 나아가 미세조류의 CO2 전환 플랫폼으로서의 실용성을 제고하는 핵심 원천 기술을 개발하고자 하였다. 이를 위해 미세조류의 실용성을 낮추는 가장 큰 원인이 되는 고농도 CO2에 대한 낮은 내성을 극복하기 위한 연구를 진행한 것이다.
이를 위해 먼저 철저한 전사체 분석을 통해 미세조류의 낮은 CO2 내성의 원인을 최초로 규명하였고 이를 극복하기 위한 유전공학적 전략을 수립하여 실제 그 효과를 실험실 내부뿐만 아니라 실제 고농도 CO2가 배출되는 산업 현장 지근에서 대량 배양 현장 테스트를 통해 실제 본 기술이 CO2 저감 및 CO2 유래 유용물질의 고속 생산에 실용적으로 활용될 수 있음을 증명하였다.
즉 기술적 관점에서 본 기술은 미세조류의 CO2 전환 속도 및 능력을 비약적으로 향상시키기 위한 가장 근본적인 전략을 제시하고 있으며 이를 통해 차후 플랫폼 균주로 활용될 수 있는 핵심 미세조류 균주 확보를 가능하게 하였다. 한편 연구적 관점에서는 원인 규명에서부터 균주 개발, 대규모 실증에 이르는 전주기적 연구 수행을 통해 기술의 실용성을 증명했다는 점에서 연구 개발의 우수성 및 차별성이 있다고 볼 수 있다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
본 기술은 대량 옥외 배양 실증 실험을 통해 그 실용성 및 우수성이 충분히 검증된 원천 기술이다. 확보된 균주를 다양한 CO2 농도(0.04%-20%)에서 배양한 결과 모든 CO2 농도 영역에서 야생형 균주와 유사하거나 월등한 성장성을 보였으며 실제 산업 배기가스 가운데 가장 유독한 석탄 연소 배기가스가 공급되는 경우에도 해당 가스에 포함된 고농도 CO2를 유일한 탄소원으로 활용하여 CO2 저감 및 이를 통한 유용물질 생산이 가능함을 확인하였다. 따라서 본 연구를 통해 확보된 미세조류 균주는 어떠한 산업 배출가스에 포함된 CO2에도 실제 직접 적용되어 즉시 CO2 저감 및 유용물질 고속 생산에 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 특히 탄소 중립 사회 실현을 위한 새로운 에너지원으로 떠오르고 있는 블루 수소 제조에 본 기술을 활용할 경우 그 효용이 극대화될 수 있을 것으로 기대된다.
하지만 본 기술의 실용화를 위해서는 기술의 경제성 또한 뒷받침되어야 한다. 이를 위해서는 먼저 경제적인 미세조류 배양 시스템이 구축되어야 한다. 현재 본 연구팀이 개발, 보유하고 있는 저비용 고성능 광생물배양기(photobioreactor)가 여타 배양 장치 대비 뛰어난 경제성을 보여주고 있지만 비용의 저감과 성능의 향상을 위해 추가적인 연구 개발이 진행되고 있다. 또 미세조류 활용 CO2 전환 및 유용물질의 경제성 제고를 위해서는 생산 물질 포트폴리오의 다각화 또한 필수적이다. 이를 위해 추가 균주 개발 및 연구가 수행되어야 한다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
이번 연구는 현재 CO2 저감을 위한 생물학적 플랫폼으로서 미세조류의 한계를 규정하던 가장 중요한 문제, 즉 고농도 CO2에 대한 낮은 내성을 극복하기 위해 설계하고 수행된 연구이다. 이에 따라 본 연구에서는 미세조류의 CO2에 대한 내성 증대를 위한 유전학적 접근법 개발과 실제 내성 증대 여부를 검증하는데 주력하였다.
산업 배기가스 내 함유된 고농도 CO2 전환을 통해 얻을 수 있는 유용물질에 대한 생산성은 미세조류가 내재적으로 합성할 수 있는 지질 기반의 바이오 연료 생산성만을 활용하여 평가되었는데 실제 미세조류 기반 CO2 전환 기술의 활용성 및 경제성을 획기적으로 높이기 위해서는 더욱 다양한 CO2 유래 고부가 유용물질을 생산에 목표를 두고 연구 개발을 진행해야 한다.
따라서 추후 후속 연구에서는 본 연구를 통해 확보된 균주를 플랫폼으로 한 추가 균주 개량을 진행하여 고농도 CO2가 포함된 산업 배기가스를 직접 활용한 생분해성 바이오 플라스틱 및 의약품 생산 기술 개발 등을 진행하고자 한다. 해당 물질들은 개발 및 활용될 경우 CO2 저감 잠재력과 예상되는 경제성 창출 효과가 막대할 것으로 예상되기 때문이다. 이를 통해 본 연구팀에서 개발된 미세조류 관련 제반 기술들이 2050년 탄소중립 사회 실현에 핵심적 기반 기술로 실제 기여할 수 있기를 기대한다.
생명과학 한국연구재단 (2021-10-28)