광합성을 하는 미세조류는 일반적으로 고농도 이산화탄소에 대한 내성이 낮다. 따라서 고농도의 이산화탄소를 미세조류를 이용해 분해하거나 다른 물질로 전환시키는 작업의 효율도 낮다. 그러나 국내 연구진이 미세조류가 고농도 이산화탄소에 견디는 성질을 높일 수 있는 방법을 개발해 이런 한계를 극복할 수 있는 길이 열리게 됐다.
고려대 심상준 교수 연구팀은 '미세조류에서 이산화탄소 내성이 낮은 것이 고농도 이산화탄소 환경 하에서 원형질막 수소 이온-ATP 분해효소의 발현이 저조하기 때문'이라는 것을 밝혀냈다. 원형질막 수소 이온-ATP 분해효소는 세포 원형질막에 존재하는 수소 이온(H+) 배출 펌프의 하나로 식물 및 곰팡이에서 세포 내부 산성도(pH) 조절에 핵심적 역할을 하는 단백질이다.
연구팀이 실제 식물에서 유래한 이 분해효소 유전자를 미세조류 내에 도입해 지속적으로 이 생체 펌프를 발현하도록 개량한 결과, 그렇지 않은 야생형 미세조류에 비해 이산화탄소 내성이 3배 이상 높아지는 사실이 확인됐다.
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 있었다. 연구팀은 옥외 대량 배양실험을 통해서도 이산화탄소 내성 향상 효과를 확인했다고 한다.
고농도 이산화탄소가 포함된 석탄 연소가스에 직접 노출시킨 경우에도 야생형 미세조류 대비 2배 이상 빠르게 이산화탄소를 바이오매스나 바이오연료로 전환시키는 것으로 나타났다.
심상준 교수는 28일 "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.
심상준 교수는 "이산화탄소(CO2)는 온실가스의 하나로 매년 320억 톤 이상이 대기 중으로 배출된다고 알려져 있는데, 현재 산업 구조를 고려하면 CO2 배출은 불가피하다"며 "2050년 탄소중립에 도달하기 위해서는 CO2 포집 및 활용, 저장 기술(CCUS)의 개발 및 활용이 반드시 필요하고 이런 현실적 필요성이 연구의 배경이 됐다"고 밝혔다.
심 교수는 "광합성은 빛에너지 만을 활용해 CO2를 고정할 수 있는 가장 확실한 CO2 감축 기술이고 미세조류가 여러 광합성 생물 가운데 CO2 흡수능력이 가장 뛰어나지만 낮은 CO2 내성으로 인해 CO2 감축 기술로서 실질적 활용이 제한돼 왔지만 이번 연구로 활용 가능성이 커졌다"고 덧붙였다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 '유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업' 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈 10월 18일자에 게재됐다.
※ 이산화탄소 내성 : 고농도 CO2에 의해 유발되는 세포 독성 효과(세포 내부 산성화 등)에 대한 저항성. CO2 내성이 증가하면 산업 배출가스 내 고농도 CO2를 공급하더라도 세포 사멸에 이르지 않고 CO2를 효율적으로 유용물질화할 수 있게 된다.