메탄가스를 메탄올로 변환시키는 바이오소재 개발
메탄가스를 메탄올로 변환시키는 바이오소재 개발
  • 강지희
  • 승인 2019.04.04 06:20
  • 조회수 3149
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바이오 나노 입자 이미지. 출처: Fotolia
바이오 나노 입자 이미지. 출처: Fotolia

메탄가스는 지구에 매우 풍부한 자원입니다. 메탄가스를 메탄올로 변환하면, 원유를 대체해 다양한 생활용품과 산업용 소재 생산에 활용할 수 있습니다. 단점도 있습니다. 메탄가스를 메탄올로 가공하는 화학적 산화 공정은 높은 에너지 소비, 환경오염 유발, 낮은 반응 전환율 등 기술적, 환경적, 경제적인 문제점을 안고 있죠.

 

메탄올을 생산하는 화학적 공정의 대안으로 메탄산화세균을 활용한 바이오 공정이 있습니다. 하지만 메탄산화세균의 고농도 배양과 메탄산화효소의 대량 생산이 쉽지 않은 탓에 성공 사례가 적습니다.

 

그런데 고려대학교 화공생명공학과 이지원 교수 연구팀은 유전공학 기술을 이용하여 메탄가스로부터 메탄올을 쉽게 개발할 수 있는 새로운 소재를 개발했다고 합니다. <Nature Catalysis>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 메탄산화효소의 핵심 부위만을 사용해 자연 상태의 메탄산화효소와 거의 같은 수준을 갖는 효소 나노입자를 개발했다고 합니다.

 

어떻게 연구했는가

 

메탄가스를 메탄올로 전환하는 새로운 효소 나노입자. 출처: 한국연구재단
메탄가스를 메탄올로 전환하는 새로운 효소 나노입자. 출처: 한국연구재단

연구팀은 메탄산화세균의 세포막에 존재하는 메탄산화효소의 핵심 활성부위를 단백질로 구성된 나노입자인 인간 훼리틴 표면에 유전공학적으로 표출시켰습니다. 인간 훼리틴 단백질 나노입자는 24개 요소 단백질들이 세포 내에서 스스로 조립돼 만들어지는 구형의 나노입자입니다. 인간 훼리틴 나노입자는 인체 내에서 합성되는 단백질 나노입자임에도 대장균 세포를 이용하여 대량 생산할 수 있다는 장점이 있습니다.

 

또한, 유전공학 기술을 이용해 훼리틴 나노입자 표면의 특정 부분에 다양한 단백질의 일부 또는 전체를 융합시킬 수 있어, 효소의 활성 부위만이 표출된 새로운 효소 나노입자를 개발하는 데 매우 유리합니다.

 

연구팀은 훼리틴 단백질 나노입자 표면의 특정 위치에 메탄을 메탄올로 전환시킬 수 있는 메탄산화효소의 핵심 활성 부위를 유전공학적으로 재조립하는 과정으로 표출시켜 새로운 나노입자를 제조하는 데 성공하였습니다. 연구팀이 개발한 나노입자가 포함된 수용액에 메탄가스를 주입한 결과, 메탄이 선택적으로 메탄올로 전환되는 것을 가스 크로마토그래피와 핵 자기공명분광법을 통해 확인했는데요. 이는 자연 상태의 메탄산화효소와 거의 같은 수준의 활성 정도였습니다.

 

효소 나노입자를 고정화시킨 다공성 하이드로젤을 이용한 새로운 반응시스템 개발. 출처: 한국연구재단
효소 나노입자를 고정화시킨 다공성 하이드로젤을 이용한 새로운 반응시스템 개발. 출처: 한국연구재단

또한, 연구팀이 개발한 나노입자는 고농도로 쉽게 배양되는 대장균을 이용하여 대량 생산이 가능하다고 합니다. 또한, 연구팀은 효소 나노입자를 다공성 하이드로겔에 고정시켜 안정적으로 활성을 유지하며 장시간 반복적으로 재생할 수 있는 메탄올 생산시스템을 개발했습니다.

 

앞으로의 전망은?

 

이지원 교수. 출처: 한국연구재단
이지원 교수. 출처: 한국연구재단

이지원 고려대 교수는 "이 연구는 문제점이 많은 기존의 화학적 메탄 산화 공정을 고효율의 바이오공정으로 대체하기 위해 메탄산화효소를 대량 생산이 가능한 나노입자의 형태로 개발하고 효소 나노입자를 안정적, 반복적으로 재사용할 수 있는 생산시스템을 개발한 것"이라며, "이 기술을 확장 적용하면 산업적 활용 가치가 있는 다양한 효소 및 이를 이용한 고효율의 바이오 공정 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했습니다.

 

##참고자료##

 

Biological conversion of methane to methanol through genetic reassembly of native catalytic domain. Nature Catalysis (2019).


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