메탄가스를 메탄올로 변환시키는 바이오소재 개발

국내 연구진이 메탄가스로 메탄올을 쉽게 생산할 수 있는 효소 나노입자를 개발했다. 에너지를 적게 쓰고 환경문제가 없는 고효율 메탄올 제조 바이오공정을 개발하는데 걸림돌이 된 난제를 모두 제거했다.

이지원 고려대 교수 연구팀은 메탄산화세균에서 유래한 효소의 핵심 활성 부위가 표출된 효소 나노입자를 개발했다고 2일 밝혔다.

메탄가스는 지구에서 가장 풍부한 가스 자원이다. 메탄가스를 메탄올로 변환하면, 원유를 대체해 다양한 생활용품과 산업용 소재의 생산에 활용될 수 있다. 그러나 현재 메탄가스로 메탄올을 생산하는 화학적 산화 공정은 높은 에너지 소비, 환경오염 유발, 낮은 반응 전환율 등 기술·경제·환경 측면에서 문제점을 안고 있다. 대안으로 메탄산화세균을 활용한 바이오 공정에 세계가 관심을 쏟고 있다. 그러나 메탄산화세균 고농도 배양과 메탄산화효소의 대량생산이 쉽지 않아, 성공사례가 보고되지 않았다.

연구팀은 유전공학 기술로 메탄산화효소의 핵심 활성 부위만을 활용해 자연 상태 메탄산화효소와 거의 같은 수준 활성을 갖는 효소 나노입자를 개발했다.

효소 나노입자는 빠른 시간에 고농도로 쉽게 배양되는 대장균을 이용해 대량 생산이 가능하다. 연구팀은 또 효소 나노입자를 다공성 하이드로겔에 고정함으로써 안정적으로 활성을 유지하며 장시간 반복 재사용할 수 있는 메탄올 생산시스템을 개발했다.

효소 나노입자를 이용해 막 단백질 형태 메탄산화효소의 활성 부위 구조를 명확히 규명하는 과학적 성과도 이뤘다. 기존 막 단백질 형태 메탄산화효소 구조 연구는 배양된 메탄산화세균으로 부터 복잡한 추출 과정을 거쳐 정제된 소량 메탄산화효소를 이용해 진행했다. 이 과정에서 효소 활성 도메인의 손상이 발생할 수 있어 연구 결과 진위성 논란이 있어 왔다. 연구팀은 메탄산화효소의 핵심 활성 부위가 포함된 효소 나노입자를 대량으로 생산한 뒤 다양한 분광 분석 기법을 통해 분석함으로써 활성 부위 구조를 명확하게 규명했다.

이지원 교수는 “이번 연구는 문제점이 많은 기존 화학적 메탄 산화 공정을 고효율 바이오공정으로 대체하는데 필요한 메탄산화효소를 대량 생산이 가능한 나노입자의 형태로 개발하고, 효소 나노입자를 안정적, 반복적으로 재사용할 수 있는 생산시스템을 개발한 것”이라면서 “성과를 확장 적용하면 산업 활용 가치가 있는 다양한 효소와 이를 이용한 고효율 바이오 공정 개발에 기여할 수 있다”고 기대했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행했다. 국제학술지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'에 2일(한국시간) 실렸다.

최호 정책기자 snoop@etnews.com