오늘날 인류가 직면한 가장 큰 문제점으로 지구온난화와 화석 연료의 고갈을 꼽을 수 있다. 때문에 이를 해결하기 위해 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 배출하지 않고 무제한으로 존재하는 태양 에너지를 이용하려는 노력이 세계적으로 이뤄지고 있다.
이러한 가운데 필자가 포함된 KAIST 신소재공학과 박찬범 교수팀이 효소반응과 태양전지 기술을 접목해 자연계의 광합성을 모방한 인공광합성 시스템 개발에 성공했다. 이 기술은 정밀화학 물질들을 태양에너지를 이용해 생산해 내는 ‘친환경 녹색생물공정’ 개발의 중요한 전기가 될 전망이다.
인공광합성이 모방한 자연광합성, 그 원리는 무엇일까?
지구상의 모든 생물은 생존을 위해 에너지를 필요로 한다. 먹이사슬의 상위단계에 있는 개체는 하위단계의 개체로부터 에너지를 얻는다. 식물은 먹이사슬의 가장 아래에 있지만 지구상에서 스스로 에너지를 생산할 수 있는 유일한 생물이다. 식물은 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 생물의 에너지원인 탄수화물을 생산한다. 이것이 우리가 알고 있는 ‘광합성’ 과정이다. 따라서 광합성은 지구상의 모든 생명현상 중에서도 가장 경이롭고 중요한 현상이다. 그렇다면 식물은 어떻게 광합성을 할 수 있을까?
광합성은 크게 명반응과 암반응으로 구성돼 있다. 명반응은 엽록소와 효소 등으로 이루어진 엽록체에서 일어난다. 엽록소는 태양빛을 흡수하면 에너지적으로 들뜬 상태가 된다. 이 들뜬 에너지는 주변으로 높은 에너지의 전자를 전달해 일련의 화학반응을 일으키게 한다. 이러한 화학반응을 통해 식물은 물을 분해해 산소를 생성한다. 뿐만 아니라 다양한 화학반응의 에너지원인 ATP와 NAD(P)H를 만들게 된다. 이렇게 생성된 ATP와 NADPH는 암반응 과정(캘빈회로, calvin cycle)을 통해 이산화탄소로부터 탄수화물을 합성하는데 이용된다.
[그림 1] 자연광합성과 염료감응 태양전지의 유사성을 이용해 개발한 인공광합성 기술
모방은 창조의 어머니 - 효소반응을 이용한 인공광합성
박찬범 교수팀이 개발한 인공광합성 기술은 태양전지 기술을 이용해 NAD(P)+로부터 NAD(P)H를 재생시키는 자연광합성의 명반응을 모방했다. 또 암반응 과정을 산화환원효소로 대체해 효소반응을 이용했다. 효소는 단백질로 이루어진 생체촉매를 일컫는 말로, 기존에 산업적으로 사용되는 촉매와는 달리 상온, 상압, 중성 pH의 온화한 조건하에서 부산물의 생성 없이 특정 화학물질만 선택적으로 합성할 수 있다는 장점이 있다.
다양한 효소 중에서 산화환원 효소는 특히 기존의 촉매로는 거의 불가능한 광학이성질체나 신약원료물질의 합성이 가능해 정밀화학물질이나 신약 산업으로 활용할 수 있을 것으로 기대돼 왔다. 일례로 산화환원효소를 이용하면 당뇨병 치료제나 에이즈 치료제의 원료물질 등을 생산할 수 있다. 그러나 산화환원효소를 실제 산업적으로 활용한 예는 극히 드문 실정이다. 이는 산화환원효소의 촉매반응이 NAD(P)H와 같이 1g당 수백만 원을 호가하는 고가의 보조인자를 소모하기 때문이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 KAIST 연구팀은 NAD(P)+로부터 NADPH를 재생하는 자연광합성의 명반응과 염료감응 태양전지의 유사성에 주목했다[그림1]. 광합성에서는 엽록소가 가시광선을 흡수해 들뜬 상태가 되면 고에너지의 전자를 주변에 전달해 NAD(P)+로부터 NADPH를 재생한다.
이와 유사하게 염료감응 태양전지에서는 황화카드뮴(CdS) 양자점과 같은 염료가 가시광선을 흡수해 들뜬 상태가 되면 고에너지의 전자를 주변의 산화티타늄(TiO2)에 전달해 전기를 생산하게 된다. 연구팀은 이러한 유사성에 착안, 염료감응 태양전지를 이용해 전기를 생산하는 대신에 NAD(P)+로부터 NAD(P)H를 재생하는데 성공했다. 더 나아가 재생된 NAD(P)H를 산화환원효소 반응과 연결시켜 고부가가치의 정밀 화학물질을 생산하는 ‘인공광합성’ 기술을 개발해냈다.
이렇듯 인공광합성 기술은 염료감응 태양전지 기술을 이용해 자연광합성 기술을 모방했다는 점이다. 재밌는 사실은 염료감응 태양전지 기술 역시 자연현상을 모방해 개발된 기술이라는 점이다. 결국 모방을 통해 새로운 기술을 개발하고 발전시킬 수 있었다. ‘모방은 창조의 어머니’다.
이 인공광합성 기술을 실제 산업에 적용하기 위해서는 광반응 효율성 향상, 생체물질인 효소의 안정성 향상 등 해결해야 할 문제가 아직 남아있다. 하지만 무한 에너지원인 태양광을 이용해 신약원료물질, 광학이성질체와 같은 고부가가치의 정밀화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있다는 점에서 그 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다.
전 세계적으로 인공광합성 연구 ‘열풍’
인공광합성 기술 개발은 국내뿐 아니라 전 세계적으로도 활발히 진행되고 있다. 미국은 2010년부터 5년간 1억 달러 이상을 캘리포니아 공과대학, 버클리대, MIT의 우수연구자로 구성된 인공광합성 연구센터에 지원한다. 우리나라도 2009년부터 10년간 정부지원금 500억 원을 서강대 인공광합성 연구센터에 지원하고 있다. 이들 연구센터는 빛에너지를 이용해 물과 이산화탄소로부터 수소와 메탄올과 같은 청정연료를 생산하는 연구를 진행하고 있다. 머지않아 세계 곳곳에서 인공광합성을 통한 청정에너지를 사용하기 시작했다는 소식이 들려오길 기대해본다.
글 : 류정기 KAIST 신소재공학과 박사후 연구원
KISTI 과학의 향기 [ 제 1358 호 ] 2011-05-30
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