우리 학교 생명화학공학과 이현주 교수와 이상엽 특훈교수 공동연구팀이 이산화탄소를 바이오 플라스틱으로 전환하는 전기화학-바이오 하이브리드 시스템을 개발했다고 지난 3월 30일 밝혔다. 임진규 박사, 최소영 박사과정, 그리고 이재원 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)'에 지난 3월 27일 온라인 게재됐다.
 

전기화학-바이오 하이브리드 시스템의 필요성

기후 위기 대응과 탄소 중립 실현에 적극적인 관심이 요구되는 상황 속에서 이를 위한 다각도의 연구도 진행 중이다. 온실 기체인 이산화탄소로 고분자인 바이오 플라스틱을 생산한 이번 연구도 그러한 맥락 속에 있다. 

이산화탄소를 산업에서 유용하게 사용될 수 있는 다른 자원으로 재자원화하는 방법 중 이현주 교수 연구팀은 전기에너지를 사용하는 전기화학적 이산화탄소 전환 기술을 개발 해왔다. 전기화학적 방법으로는 주로 탄소 1개의 화합물인 일산화탄소, 포름산, 에틸렌 등을 생산하며 이보다 탄소의 수가 더 많은 화합물은 아직 전환 효율 및 생산물 선택성이 낮다. 따라서 전기화학적 이산화탄소 전환 생성물을 미생물에 공급하여 더 복잡한 탄소 화합물을 얻는 바이오 하이브리드 시스템에 대한 연구가 필요하다. 여기에 이상엽 교수 연구팀이 미생물에 관련된 부분을 참여하며 효율적으로 바이오 플라스틱을 생산하는 전기화학-바이오 하이브리드 시스템에 대한 공동 연구가 이루어졌다. 
 

기존 연구 대비 20배 이상의 생산성

개발한 하이브리드 시스템은 전기화학 반응이 일어나는 전해조와 미생물이 배양되는 발효조로 구분되어 있으며 두 부분은 직접 연결되어 있다. 기체 상태의 이산화탄소가 전해조에서 포름산으로 전환되어 발효조로 이동하면 커프리아비더스 네케이터(Cupriavidus necator)라는 미생물이 이를 섭취하여 바이오 플라스틱인 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoate, PHA)를 생산한다. 남은 용액은 다시 전해조로 이동하는데, 이때 필터를 통해 미생물은 걸러진다. 전 과정에서 바이오 고분자를 얻기 위해 계속 투입해야 하는 것은 이산화탄소 기체뿐이다.

기존에도 바이오 하이브리드 시스템에 관한 연구가 있었다. 그러나 전기화학 시스템과 바이오 시스템이 분리되어 있어서 매우 낮은 농도의 포름산을 미생물에 공급해야 했다. 이를 다시 미생물에 공급했을 때 매우 미량의 바이오 플라스틱밖에 얻지 못했다. 

플라스틱 생산 효율을 높이기 위해서는 전해조에서 미량 만들어지는 포름산이 지속적으로 미생물에게 공급되어야 하는데, 용액이 전해조와 발효기 사이를 이동하며 순환하면 가능하다. 이때 전해조의 전해액과 미생물의 배양 배지가 같아야 하며, 이를 위해 ‘생리학적 호환 가능한 전해액’이 개발되었다. 이러한 차별성 때문에 이현주 교수와 이상엽 교수 공동연구팀은 세계 최초로 그램(g) 수준의 PHB 생산을 할 수 있었다. 이는 기존 연구 대비 20배 이상의 생산성으로, 전기화학-바이오 하이브리드 이산화탄소 전환 시스템의 가능성을 확실하게 보여준 결과다. 
 

연속 배양 가능성과 후속 연구 

이번 연구에서는 산업공정에서 이용되는 연속 배양의 가능성을 보여줬다. 전해조와 발효조의 조건을 더 적절하게 조절하여 시스템의 효율과 수명을 높이는 것을 목표하고 있다고 이현주 교수는 설명했다. 또한 전기화학 이산화탄소 전환에서도 포름산이 아닌 아세테이트 등의 미생물이 더 쉽게 흡수할 수 있는 물질을 만들거나, 이번에 사용된 커프리아비더스 네케이터가 아닌 다른 미생물을 이용할 경우 바이오 플라스틱보다 더 유용한 의약품 등의 화합물을 생산할 수 있을 것이라 기대했다. 

덧붙여 이현주 교수는 “연구 결과가 언뜻 보기에 되게 신기해 보이지만 연구를 실제로 하면 무수한 시행착오를 거쳐 이루어진다”며 우리 학교에서 연구에 참여하는 학부생들에게 “연구를 할 때 너무 쉽게 좌절하지 말고, 특히 학부 기간에는 연구 이외의 다양하고 많은 경험을 쌓으면 좋겠다”고 전했다.