지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 산업용으로 활용가능한 고부가가치 화합물로 전환할 수 있는 실제적인 길이 국내연구진에 의해 열렸다.

국토해양부는 포스텍(포항공대) 화학공학과·해양대학원 차형준(44·사진) 교수가 이끄는 연구진이 재조합 탄산무수화효소(carbon anhydrase)를 이용해 이산화탄소를 탄산화합물로 바꾸는 저비용·고효율 기술을 세계최초로 개발했다고 7일 밝혔다. 이 기술로 만든 탄산화합물은 제지, 플라스틱, 고무, 시멘트, 페인트, 치약 등 다양한 산업용 소재로 활용될 뿐 아니라 칼슘보조제, 인공뼈 등의 건강 및 의료용 소재로도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

지금까지는 과학계가 이산화탄소를 대기에서 회수해 격리하는 방법을 주로 연구해 왔지만 최근에는 이산화탄소를 고부가가치의 소재로 전환하는데 주목하고 있다.

차형준 교수팀은 대기 중 이산화탄소가 자연계에서 바이오미네랄화를 거쳐 탄산화합물로 전환돼 저장되는 원리에 분자생명공학 기술을 접목해 신기술을 개발했다. 바이오미네랄화는 생명체가 외부에서 단백질이나 탄수화물 등 유기물을 받아들여 생리활성을 통해 껍질이나 뼈 등 구조물을 만드는 과정을 일컫는 말이다.

차 교수팀은 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산화합물로 바꾸는 과정에서 이산화탄소가 물에 녹는 수화 작용을 자연 상태에 비해 약 1천만배 촉진하는 탄산무수화효소를 활용했다. 소의 혈청에서 추출한 기존의 탄산무수화 효소는 g당 300만원에 달하는 고비용 때문에 실제 활용이 불가능했다. 하지만 차 교수팀은 싼값에 대량생산이 가능한 재조합 탄산무수화 효소를 개발해 이 문제를 해결했다.

차 교수팀은 ‘나이세리아 고노레아’라는 미생물에 함유된 탄산무수화효소가 높은 활성을 지니고 있다는 사실에 주목해 유전자를 재설계해 대장균에서 대량 생산하는 기술을 구축했다. 이렇게 대량 생산된 재조합 탄산무수화효소는 소의 혈청에서 추출한 탄산무수화효소 못지 않은 높은 활성도를 보였고, 기체 상태의 이산화탄소를 수용액 상에서 탄산칼슘 결정 침전물로 전환시키는 데 성공적으로 적용됐다.

차형준 교수는 “이번 기술은 대량생산이 가능한 재조합 탄산무수화효소를 세계 최초로 적용해 온실가스인 이산화탄소를 부가가치가 큰 탄산화합물로 직접 전환하는데 성공했다는 의의가 있다”고 말했다.

국토부와 포항산업과학연구원이 지원한 이번 연구 결과는 지난 5일 환경 분야의 저명 학술지인 <케모스피어>(Chemosphere) 온라인판에 실렸고 특허로도 출원됐다.

 

 

 

 

 

 

 

《 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 산업용으로 활용 가능한 고부가가치 화합물로 바꿀 수 있는 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다. 국토해양부는 포스텍(포항공대) 화학공학과 차형준 교수팀이 재조합 탄산무수화효소(carbon anhydrase)를 이용해 이산화탄소를 탄산화합물로 바꾸는 데 성공했다고 7일 밝혔다. 》

국토부와 포항산업과학연구원이 지원한 이번 연구 결과는 5일 환경 분야의 저명 학술지인 ‘케모스피어(Chemosphere)’ 온라인 판에 실렸고 특허로도 출원됐다.

국토부에 따르면 탄산무수화효소는 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산으로 바꿔주는 효소이며, 이런 과정을 거쳐 발생한 탄산은 양이온과 반응해 탄산화합물을 만든다. 이렇게 만들어진 탄산화합물은 제지 플라스틱 고무 시멘트 페인트 치약 등을 만드는 산업용 재료로 활용되거나 칼슘보조제 인공뼈 등과 같은 의료용품 재료로도 이용될 수 있다.

과학계는 지금까지 이산화탄소가 대기로 방출되지 않도록 회수해 격리하는 방법을 주로 연구해 왔다. 하지만 최근에는 이산화탄소를 자원으로 활용하는 방안을 활발하게 모색하고 있다. 차 교수팀도 이런 흐름의 일환으로 연구를 시작했다.

차 교수팀은 우선 대기 중 이산화탄소가 자연계에서 ‘바이오미네랄화(化)’를 거쳐 탄산화합물로 전환돼 저장되는 원리에다 분자생명공학 기술을 접목했다. 바이오미네랄화란 생명체가 단백질이나 탄수화물 등 유기물과 미네랄 등 무기물을 흡수해 껍질이나 뼈 등으로 만들어내는 과정을 의미한다.

또 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산화합물로 바꾸는 과정에서 이산화탄소가 물에 녹는 ‘수화(水化)작용’을 자연 상태보다 1000만 배가량 빠른 속도로 이뤄지게 만드는 탄산무수화효소를 자체 개발해 사용했다. 이 효소는 ‘나이세리아 고노레아’라는 미생물의 유전자를 바꿔 만든 것으로 대장균에서 대량생산이 가능하다. 또 기체 상태의 이산화탄소를 수용액 상에서 탄산칼슘 결정 침전물로 전환시키는 데 높은 효율을 보였다. 무엇보다 가격이 저렴하다. 기존의 탄산무수화효소는 소의 혈청에서 추출돼 g당 300만 원에 이르는 고가 제품이지만 차 교수팀이 개발한 탄산무수화효소는 g당 1000원 수준에 불과하다.

 

 

'공기 속 이산화탄소(CO₂)로 고가의 인공뼈를 만든다.'

이산화탄소는 인류가 석탄을 비롯한 화석연료를 본격적으로 사용하기 시작한 이후 지구온난화의 주범으로 몰려 제거와 감축의 대상이 되고 있다. 현재 전 세계적으로 이산화탄소를 대기에서 회수해 땅에 매립하거나 우주로 배출하는 등 이산화탄소를 줄이려는 다양한 기술 개발이 활발하다. 하지만 국내 연구진은 발상전환을 통해 이렇게 천덕꾸러기 대접을 받는 이산화탄소를 활용해 인공뼈 등 고부가가치 물질을 대량 생산할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 5년 내 상용화가 가능할 것으로 기대된다.

국토해양부는 7일 포스텍(포항공대) 화학공학과ㆍ해양대학원 차형준 교수가 이끄는 연구진이 이산화탄소를 다양한 탄산화합물로 바꾸는 데 필수요소인 탄산무수화효소(carbon anhydrase)의 새로운 생산방법을 세계최초로 개발해 탄산화합물 대량생산의 길을 열었다고 발표했다.

현재로서는 탄산화합물을 생산하기 위해서는 대기 중의 이산화탄소의 바이오미네랄화(생명체가 외부에서 유기물과 무기물을 받아들여 생리 활성을 통해 구조물을 만드는 과정)를 거쳐야 한다. 하지만 비용이 너무 높아 실용화되지 못한 상태다. 구체적으로 소의 혈청에서 추출한 탄산무수화효소를 이용해 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산으로 전환시킨 후 양이온과 반응하는 것이다. 문제는 소 혈청 원료의 탄산무수화효소는 가격이 g당 300만원에 달해 상업화에 결정적 장애가 됐다.

그런데 차 교수팀은 기존 기술에 분자생명공학 기술을 접목해 신기술 개발에 성공했다. 연구팀이 개발한 효소는 g당 1,000원 이하로 생산이 가능하다. '나이세리아 고노레아'라는 미생물에 있는 탄산무수화효소가 높은 활성을 지니고 있다는 사실을 알아낸 후 유전자를 재설계해 대장균에서 이를 대량 생산하는 기술을 세계 최초로 구축했기 때문이다.

차형준 교수는 "이번 연구는 대량생산이 가능한 재조합 탄산무수화효소를 세계 최초로 적용해 이산화탄소를 탄산화합물로 직접 전환하는데 성공했다는 점에서 의의를 지니고 있다"며 "현재 세포 자체를 촉매로 이용하는 연구가 진행 중에 있어 더욱 경제적인 이산화탄소 전환 공정 개발이 이뤄질 것"이라고 말했다.

국토부 관계자는 "5년 정도면 상용화가 가능할 것으로 보여 탄산화합물을 원료로 하는 산업발전을 우리나라가 주도하게 될 것으로 기대된다"고 말했다. 탄산화합물은 현재 세계 시장 규모 5조원에 달하는 인공뼈 등 의료용 소재로 활용되고 있으며 제지, 플라스틱, 고무, 시멘트, 페인트, 치약 등 광범위한 분야에서 산업용 소재로 쓰이고 있다.

이번 연구는 국토부가 추진하는 해양생명공학기술사업인 '해양바이오산업신소재기술개발'과 포항산업과학연구원의 그린사이언스 사업의 지원을 받아 수행됐으며 연구 결과는 5일 환경 분야의 저명 학술지인 '케모스피어(Chemosphere)' 온라인판에 실렸다.