▲ 고농도 이산화탄소 등 산성 환경에 대한 내성이 증대된 미세조류 균주의 성능 / 전사체 분석을 통해 결정된 타깃 단백질인 원형질막 수소 이온(H+)-ATP 분해효소의 과발현을 통해 야생형 균주(WT)에 비해 향상된 두 미세조류 균주(PMA4ΔCter-V4, PMA4ΔCter-V10)의 산성 및 고농도 CO2 환경에 대한 내성 평가 결과 (그림에 대한 구체적 설명) 산성 조건에서 미세조류 균주들의 (a) 고체 배지 상 배양 결과 및 (b) 액체 배지 상 배양 결과. 야생형 균주의 경우 낮은 산성 내성으로 모두 사멸에 이름. (c) 개발된 미세조류 균주의 증대된 수소 이온(H+) 배출 능력. (d) 고농도 CO2(20%) 환경 하 3배 이상 증대된 바이오매스 생산성과 CO2 전환 속도. (그림 설명 및 그림 제공 : 고려대학교 심상준 교수/(Modified from Nature Communications 12, 6049 (2021))  © 특허뉴스

산업현장에서 배출되는 고농도 이산화탄소로부터 직접 고부가가치물질을 빠르게 생합성할 수 있는 개량 미세조류가 소개됐다.

미세조류는 광합성 미생물을 총칭하는 것으로 1톤의 미세조류 배양을 통해 약 2톤의 이산화탄소 고정이 가능할 정도로 이산화탄소 감축 잠재력이 높다.

한국연구재단은 고려대학교 심상준 교수 연구팀이 미세조류에 혹독한 고농도의 이산화탄소를 바이오연료 같은 고부가가치물질로 고속 전환시킬 수 있는 생물학적 이산화탄소 저감 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

이산화탄소를 탄소원으로 이용하는 미세조류는 이산화탄소를 활용해 직접 생분해성 플라스틱 같은 고분자, 바이오디젤 같은 바이오 연료, 의약품 등을 생산하는 데 이용될 수 있어 주목받고 있다.

하지만 미세조류는 고농도 이산화탄소에 대한 내성이 낮기 때문에 산업 전반에서 대량으로 발생하는 고농도 이산화탄소를 효율적으로 저감 및 전환하는 데는 한계가 있었다.

이산화탄소 내성은 고농도 CO2에 의해 유발되는 세포 독성 효과(세포 내부 산성화 등)에 대한 저항성으로 CO2 내성이 증가하면 산업 배출가스 내 고농도 CO2를 공급하더라도 세포 사멸에 이르지 않고 CO2를 효율적으로 유용물질화할 수 있게 된다.

▲ 고농도 이산화탄소 포함 실제 산업 배출가스 활용 미세조류 이산화탄소 전환 성능 및 유용물질 생산 실증을 위한 현장 테스트 / 유전공학적 전략을 통해 개발된 미세조류 균주(PMA4ΔCter-V4)와 야생형 균주(WT)의 CO2 전환 플랫폼으로서 실용성 검증을 위한 옥외 대량 배양 결과 / (그림에 대한 구체적 설명) (a) 고농도 CO2 및 기타 유독 성분이 포함된 석탄 연소 배기가스를 활용한 실제 바이오매스 및 유용물질 생산을 위한 옥외 대량 배양 평가. (b) 향상된 고농도 CO2 내성으로 인한 개발 미세조류의 고속 CO2 전환(2.23배) 및 바이오매스 생산(2.28배) 성능. 대표적 미세조류 유래 유용물질인 바이오디젤, 고체연료 및 지질 생산성 또한 각각 4.68배, 2.2배 및 2.21배 향상되었음을 확인. (그림 설명 및 그림 제공 : 고려대학교 심상준 교수/(Modified from Nature Communications 12, 6049 (2021))  © 특허뉴스

연구팀은 미세조류에서 이산화탄소 내성이 낮은 것이 고농도 이산화탄소 환경 하에서 세포 원형질막에 존재하는 수소 이온(H+) 배출 펌프의 하나로 식물 및 곰팡이에서 세포 내부 산성도(pH) 조절에 핵심적 역할을 하는 단백질인 원형질막 수소 이온-ATP 분해효소의 발현이 저조하기 때문임을 알아냈다.

실제 식물에서 유래한 이 분해효소 유전자를 미세조류 내에 도입하여 지속적으로 이 생체 펌프를 발현하도록 개량하자 그렇지 않은 야생형 미세조류 대비 이산화탄소 내성이 3배 이상 높아졌다.

이산화탄소 용해 및 관련 물질대사의 결과로 미세조류 내에 지속적으로 축적되는 수소 이온을 이 생체 펌프가 세포 밖으로 원활하게 배출시켜 산성 환경에서도 미세조류의 활성을 유지할 수 있었기 때문이다.

연구팀은 옥외 대량 배양실험을 통해서도 이산화탄소 내성 향상 효과를 확인했다. 고농도 이산화탄소가 포함된 석탄 연소가스에 직접 노출시킨 경우에도 야생형 미세조류 대비 2배 이상 빠르게 이산화탄소를 바이오매스 및 바이오연료로 전환시키는 것으로 나타났다.

심상준 교수는 “개발된 이산화탄소 내성 증대 미세조류 균주는 실제 산업 배출가스를 활용한 대규모 배양 현장 테스트를 통해 검증된 만큼 2050년 탄소중립 실현을 위한 실질적 생물학적 고속 이산화탄소 저감 및 전환 기술로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 10월 18일 게재(온라인)되었다.