		보 도 자 료
		배포 일시	2011. 3. 7(수) 총 15매(본문 3, 붙임 12)
담당 부서	해양생태과	담 당 자	∙과장 최명범, 사무관 안희영 ∙☎ (02)504-5906
보 도 일 시		2012년 3월 8일(목) 조간부터 보도하여 주시기 바랍니다. ※ 통신․방송․인터넷은 3. 7(수) 11:00 이후 보도 가능

온난화의 주범 이산화탄소로 고부가가치 소재 만든다

대량생산이 가능한 재조합 탄산무수화효소를 이용한             실제적인 이산화탄소의 탄산화합물 직접 전환에 처음으로 성공

이산화탄소 저감과 함께 고부가가치 의료용 소재 개발에 기여 전망

□ 국토해양부(장관 : 권도엽)는 탄산무수화효소*(carbonic anhydrase)를 이용하여 온실가스인 이산화탄소를 인공뼈 등 산업용으로 널리 활용 가능한 고부가가치 탄산화합물로 직접 전환하는 실제적인 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발되었다고 밝혔다.

* 탄산무수화효소: 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산으로 빠르게 전환시키는 효소로, 전환된 탄산은 양이온과 반응해 탄산화합물을 형성함

○ 포스텍(총장 김용민) 화학공학과/해양대학원 차형준 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 국토해양부가 추진하는 해양생명공학기술사업의 ‘해양바이오산업신소재기술개발’과 포항산업과학연구원의 그린사이언스 사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 환경분야의 저명학술지인 ‘케모스피어(Chemosphere)’ 온라인 속보(3월 5일)에 게재되었다. 이번 연구결과는 특허로도 출원되어 지식재산권이 확보되었다.

ㅇ  형성된 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.

□  이산화탄소 저감은 인류가 직면한 해결해야 할 중요한 문제로, 이를 해결하고자 화석연료가 처리되는 과정에서 발생하는 이산화탄소가 대기로 방출되지 않도록 포집, 회수하여 격리하는 CCS(carbon capture and storage) 기술이 현재 많이 연구되고 있다. 그러나 최근에 들어 이산화탄소도 자원이라는 인식하에 단순 격리하는 방법 보다는 고부가가치의 소재로 전환하자는 인식의 전환이 시작되었다.

ㅇ 대기 중의 이산화탄소는 자연계에서 바이오미네랄화*를 거쳐 탄산화합물로 전환되어 저장된다. 차교수 연구팀은 이러한 바이오미네랄화 기작의 모방과 함께 분자생명공학기술을 접목하여 기존에 대기로부터 격리하고자 했던 이산화탄소를 부가가치가 높은 탄산화합물로 생물학적으로 전환하는 기술을 개발하였다.

* 바이오미네랄화 : 생명체가 외부에서 유기물(단백질, 탄수화물 등)과 무기물(미네랄 등)을 받아들여 생리활성을 통해 구조물(해양생물의 껍질이나 포유류의 뼈 등)을 만드는 과정

□ 이산화탄소를 탄산화합물로 전환시키는데 활용된 탄산무수화효소는 이산화탄소를 물과 반응시켜(수화, hydration) 탄산으로 전환시키며 지금까지 알려진 효소 중에서 가장 활성속도가 빠르다. 이산화탄소의 수화는 자연적으로는 매우 느리지만 탄산무수화효소는 이 반응을 약 천만 배 (~107) 빠르게 촉진시킨다.

ㅇ 그러나 기존의 탄산무수화효소는 소의 혈청에서 추출한 것으로서 그램 당 약 3백만원이라는 고비용으로 실제적으로는 활용되지 못하고 있다. 이번에 개발된 대량생산이 가능한 재조합 탄산무수화효소를 통한 이산화탄소 전환 기술은 기존 효소를 대체하여 저비용, 고효율로 대기 중의 이산화탄소를 저감하는데 활용될 수 있다.

ㅇ 연구팀은 나이세리아 고노레아(Neisseria gonorrhoeae)라는 미생물이 가진 탄산무수화효소가 높은 활성을 지니고 있다는 사실에 주목하였으며 이 효소의 유전자를 재설계하여 대장균에서 대량 생산하는 기술을 구축하였다. 이렇게 대량생산된 재조합 탄산무수화효소는 기존에 주로 상업적으로 사용되던 소 혈청의 탄산무수화효소와 유사한 높은 활성을 나타내었으며 기체 상태의 이산화탄소를 수용액 상에서 탄산칼슘 결정 침전물로 전환시키는 일련의 과정에 성공적으로 적용되었다.

□ 또한, 정제하기 전 단계의 효소 혼합물도 정제된 재조합 탄산무수화효소와 비교할만한 높은 활성을 나타냄을 확인하였다. 이로써 추후 더욱 경제적인 재조합 생물촉매(biocatalyst)를 활용한 이산화탄소의 탄산화합물 전환 시스템을 구축할 수 있는 발판이 마련되었다.

□ 차형준 교수는 “본 연구는 온실가스인 이산화탄소를 고부가가치 탄산화합물로 실제적으로 직접 전환하는데 대량생산이 가능한 재조합 탄산무수화효소를 세계에서 처음으로 적용한 기술이다. 현재, 세포 자체를 촉매로 이용하는 재조합 전세포 촉매 개발이 성공적으로 진행 중에 있으며 이를 통하여 더욱 실제적이고 경제적인 이산화탄소 전환 공정의 개발이 이루어질 것이다.”라고 연구의의를 밝혔다.

붙임 1. 용어설명

2. 사진설명

3. 연구자 이력사항 및 사진

참고 1		용어 설명

1. CCS(carbon capture and storage)

산업체 또는 발전소 등에서 화석 연료를 사용함으로써 대기로 방출되는 대량의 온실가스인 이산화탄소를 막아주거나 저감하는 기술을 총칭한다. 크게 이산화탄소를 ‘포획(capture)’한 후 대기로 유입되지 않는 장소에 ‘저장(storage)’하는 과정으로 이뤄진다.

2. 바이오미네랄화(biomineralization)

생명체는 기본적으로 유기물(단백질, 지질, 탄수화물)로 이뤄져 있으나, 많은 생명체들은 그 밖에도 무기물(미네랄; 탄산칼슘, 인산칼슘, 실리카)로 이뤄진 조직을 갖는다. 외부 환경으로부터 유기물과 무기물을 생명체가 받아들여 잘 조절된 생리활성을 이용하여 기능이 있는 구조물을 만드는 전체적인 과정을 바이오미네랄화라고 한다. 바이오미네랄화를 통해 생산된 미네랄로 조류(algae)와 규조류의 규산염(silicate), 무척추동물의 탄산염(carbonate), 척추동물의 인산염(phosphate) 및 탄산염(carbonate)을 예로 들 수 있으며, 주로 해양생물의 껍질이나 포유류 및 조류의 뼈를 이루는 구성성분이 된다.

[바이오미네랄화를 통한 다양한 해양생물들의 껍질 형성]

3. 탄산무수화효소(carbonic anhydrase)

대기 중의 이산화탄소 저감 기술은 환경적으로 매우 중요하며, 지속 가능한 발전을 위해 필수적으로 개발되어야 할 기술이다. 현재는 화학적인 방법을 통한 이산화탄소 제거가 주를 이루고 있다. 생물학적 방법을 사용하면 이산화탄소의 제거뿐만 아니라 유용한 탄산화합물로의 전환도 동시에 이룰 수 있다는 경제적인 장점을 가진다. 이러한 생물학적 방법에 있어서 핵심적인 효소가 바로 탄산탈수효소리고도 불리는 탄산무수화효소이다.

탄산무수화효소는 미생물부터 인간, 식물에 이르기까지 다양한 생명체에서 적절한 생리적 기능을 수행한다. 예를 들어 인간의 적혈구에도 탄산무수화효소가 존재하는데, 이들은 온 몸의 세포에서 호흡에 의해 형성된 이산화탄소를 재빨리 녹여서 폐로 운반하는 데 도움을 준다.

이 효소는 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산으로 전환시키는 역할을 하는데, 자연적으로 매우 느리게 일어나는 이 반응을 약 천만 배 (~107) 빠르게 촉진시킨다. 이렇게 전환된 탄산은 양이온과 반응하여 탄산화합물을 형성하거나 또 다른 생체 효소에 의해 유기물로 전환될 수 있다.

현재까지 탄산무수화효소에 대한 연구는 직접 추출/정제하거나 재조합 발현을 통하여 그 생화학적, 생리적 기능을 규명하는 단계에만 주로 머물러 있다. 이산화탄소의 탄산화합물 전환연구에는 소 혈청에서 추출 정제한 탄산무수화효소가 일반적으로 사용되어 연구되고 있으나 가용성 측면에서 제한이 되어 실제적인 공정으로는 활용되지 못하고 있는 실정이다.

4. 분자생명공학기술(Molecular Biotechnology)

유용한 생체소재들의 실생활에의 활용을 위하여 유전자 차원에서의 재설계를 통하여 만드는 일련의 기술을 칭한다. 다양한 생명체로부터의 유전자를 자르고 붙이는 과정을 통해 새로운 유전자를 재설계함으로써 본래 유전자의 기능과 동일하거나 변화된 형태 등으로 제작하는 것이 가능하다. 이렇게 ‘재조합’된 유전자는 대장균과 같은 외래 생명체에 도입하여 원하는 유용 생체소재를 대량으로 생산하는데 이용될 수 있다.

5. 전세포 촉매(whole cell catalyst) 시스템

보통은 미생물과 같은 생명체에서 효소를 생산한 후 세포 파쇄 등의 절차를 통하여 원하는 효소만 분리정제하여 사용하게 되는데 이러한 과정은 복잡할 뿐만 아니라 소요되는 비용도 커지게 된다. 따라서, 효소가 생산되는 세포 자체를 촉매와 같은 용도로 사용하고자 하는 것이 전세포 촉매 시스템이며 이를 통하여 활성의 안정화 및 경제성 등의 장점을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 전세포 촉매 시스템이 제대로 작동하려면 세포막을 통한 물질 전달을 원활히 하여야 하는 문제를 해결해야 한다. 이를 위하여 효소를 세포막과 세포벽 사이의 공간인 세포간극 또는 세포 표면에 위치시켜 물질 전달 문제를 해결하는 전세포 촉매 시스템들이 개발되고 있다.

참고 2		사진 자료

1. 재조합 탄산무수화효소를 이용한 이산화탄소의 탄산화합물로의 전환 기술 모식도

바이오미네랄화 기작을 모방하여 온실가스인 이산화탄소를 고부가가치 탄산화합물로 전환하는 기술에 대한 모식도이다. 이산화탄소를 효율적으로 물과 반응시켜 탄산을 만드는 재조합 탄산무수화효소를 대량 생산하고 이를 촉매로 하여 이산화탄소를 탄산화합물로 직접 전환하는 기술을 개발하였다.

2. 재조합 탄산무수화효소의 대장균에서의 생산 및 분리정제

본 연구에서는 나이세리아 고노레아 유래의 탄산무수화효소를 재조합 대장균을 통해 대량 생산하고 분리정제하였다. 이를 단백질 분석 도구인 SDS-PAGE와 Western blot을 이용해 분석한 그림이다. 대부분의 효소 단백질이 기능을 갖춘 형태로 대량 생산됨을 확인할 수 있다.

3. 재조합 탄산무수화효소의 활성 측정 및 소 혈청 유래 탄산무수화효소와 비교 분석

탄산무수화효소의 활성은 이산화탄소로 포화된 물을 기질로 사용하여 용액의 pH 감소 속도로 측정할 수 있다. 대조군으로 사용한 소 혈청의 알부민 단백질 (BSA)의 경우 pH 감소가 상당히 느린 것을 볼 수 있다. 탄산무수화효소는 이러한 pH 감소를 아주 빠르게 촉진시켜 준다. 정제된 나이세리아의 탄산무수화효소(P-NCA)는 소 혈청의 탄산무수화효소(BCA)와 유사한 활성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 정제하기 전의 재조합 효소 혼합물(S-NCA)도 정제된 재조합 탄산무수화효소(P-NCA)와 비교할 만큼 높은 활성을 나타내었다.

4. 이산화탄소 가스의 생물학적 전환에 의한 탄산칼슘 침전

형성

대량 생산된 재조합 탄산무수화효소를 이용하여 이산화탄소 가스로부터 탄산화합물 침전물을 형성시킬 수 있다. 본 연구에서는 칼슘 이온을 첨가하여 탄산칼슘을 침전시켰으며, 동일한 시간 반응시킨 결과 대조군인 BSA를 첨가한 경우보다 탄산무수화효소를 사용했을 때 월등히 많은 침전물이 생성됨을 확인하였다. 이는 탄산무수화효소가 이산화탄소의 수화를 촉진하여 탄산칼슘의 형성이 빨리 진행됨을 알 수 있다.

5. 침전된 탄산칼슘의 형상 비교 분석

침전된 탄산칼슘의 형상을 XRD (X-Ray diffraction; 그림 (a))와 SEM (scanning electron microscopy; 그림 (b))으로 분석해 본 결과, BSA를 사용한 대조군 실험에서는 불안정한 결정 구조인 vaterite(v)만 검출되었으나 탄산무수화효소를 사용해 침전시킨 경우는 안정적 결정 구조인 calcite(c)도 많이 형성됨을 확인할 수 있었다. 이는 탄산무수화효소에 의해 빠르게 vaterite가 형성되고, 이렇게 형성된 vaterite가 calcite로 전환될만한 시간을 대조군에 비해 충분히 가질 수 있었기 때문으로 분석된다.

참고 3		연구자 이력사항

차형준 교수 이력사항

1. 인적사항

○ 소 속 : 포항공과대학교 화학공학과/해양대학원

○ 전 화 : 054-279-2280

○ e-mail : hjcha@postech.ac.kr

2. 학력

1986 - 1990  서울대학교 화학공학과 학사

1990 - 1992  서울대학교 화학공학과 석사

1992 - 1995  서울대학교 화학공학과 박사

3. 경력사항

1995 - 1996  한국생명공학연구원 박사후연구원

1996 - 1999  미국 University of Maryland 박사후연구원, 연구교수

1999 - 현재  포항공과대학교 화학공학과 조교수, 부교수, 정교수

2010 - 현재  포항공과대학교 해양대학원 SA교수

2010 - 현재  국토해양부 해양바이오산업신소재연구단 단장

4. 전문 분야 정보

- Associate editor (SCI(E)), BMC Biotechnology (2010~), Applied Biochemistry and Biotechnology (2010~), Korean Journal of Chemical Engineering (2009~)

- Editorial board member (SCI), Enzyme and Microbial Technology (2007~), Process Biochemistry (2005~), Microbial Cell Factories (2004~)

- SCI 논문 100여 편, 국내외 특허 출원/등록 50여건

5. 수상 경력

2011 포스텍 차세대 과학자

2010 바다의날 국무총리상

2010 12회 송곡과학기술상

2008 국가연구개발 우수성과 100선 교육과학부장관상

2008 범석논문상 (한국화학공학회)

2007 담연학술상 (한국생물공학회)

김임규 석사 이력사항

1. 인적사항

○ 소 속 : 포항공과대학교 화학공학과

(현) LG화학 기술연구원

○ 전 화 : 054-279-5951

○ e-mail : gyu0719@postech.ac.kr

2. 학력

2003 - 2009  성균관대학교 화학공학과 학사

2009 - 2011  포항공과대학교 화학공학과 석사

2011 - 현재  LG화학 기술연구원

조병훈 박사과정 이력사항

1. 인적사항

○ 소 속 : 포항공과대학교 시스템생명공학부

○ 전 화 : 054-279-5951

○ e-mail : animanga@postech.ac.k

2. 학력

2001 - 2008  연세대학교 생명공학과 학사

2008 - 현재  포항공과대학교 화학공학과 석박사 통합과정