한국에너지기술연구원 광주바이오에너지연구개발센터 민경선 박사 연구진이 농업폐기물(볏짚, 옥수수속대)로부터 바이오연료 및 바이오플라스틱의 중간 원료인 4-hydroxyvaleric acid(4-하이드록시 발레르산)를 생산하는 신규 효소 공정을 개발하는 데 성공했다.

 

20세기는 석유정제를 기반으로 한 석유화학 산업의 시대였다. 석유에서 연료와 수많은 화학제품을 생산해 인류의 삶은 풍요로워졌다. 하지만 석유 자원의 유한성과 더불어 온실가스를 비롯한 각종 환경오염은 기후위기를 야기해 인류의 미래를 위협하는 단계에 이르렀다.

이를 극복하기 위해 최근에는 석유 자원을 대체해 바이오매스로부터 연료와 화학 원료를 생산하는 바이오리파이너리가 주목받고 있다. 석유가 하던 역할을 바이오매스로 대체할 때 지속 가능하며 환경오염 물질을 획기적으로 감축시킬 수 있고, 더불어 다양한 부가가치 효과를 기대할 수 있어 미래의 산업 기술로 각광받고 있다.

또한 바이오매스는 성장 과정에서 광합성으로 이산화탄소를 흡수해 탄소중립 실현의 가장 중요한 원료 중 하나로, 최근 세계 각국이 기후위기에 대한 적극적 대응책으로 추진 중인 탄소중립 실현의 중요한 원료이다.

하지만 1세대 바이오리파이너리에서는 전분이나 포도당 류를 활용했기 때문에 ‘에너지자원 vs 식량자원’ 이슈를 피하기 어려웠고, 최근에는 비식용 바이오매스를 원료로 활용하는 연구가 집중적으로 진행되고 있다.

 

이에 연구진은 구조 기반 분자 모델링 및 단백질 공학을 통해 개량된 신규 효소를 적용해 볏짚, 식용 불가능한 옥수수대와 같은 비식용성 농업폐기물을 활용해 바이오항공유, 바이오플라스틱의 중간 원료인 4-하이드록시 발레르산을 생산할 수 있는 새로운 바이오공정을 개발했다.

기존에는 농업폐기물에서 4-하이드록시 발레르산을 생산하는 공정은 루테늄 기반 화학 촉매를 사용하는 방법이 유일했으나, 이번 연구에서 최초로 효소 기반 바이오 공정을 개발했다. 4-하이드록시 발레르산은 작용기 변경, 중합과정 등을 거쳐 바이오항공유 또는 바이오플라스틱으로 전환이 가능하다.

연구개발의 최종 산물인 4-하이드록시 발레르산은 바이오매스에서 직접 얻을 수 없고, 바이오매스를 산화시킴으로써 레불린산을 그리고 레불린산을 수소화하는 과정을 거쳐 4-하이드록시 발레르산을 얻는다. 하지만 이 과정 중 자연계에서 레불린산을 수소화 시키는 효소는 존재하지 않는다.

 

연구진은 레불린산을 수소화하는 효소는 자연계에 존재하지 않지만, 레불린산과 유사한 구조를 가진 아세토아세트산을 수소화하는 효소는 자연계에 널리 존재한다는 점에 착안했다. 아세토아세트산을 수소화하는 효소의 3차원 구조를 바탕으로 분자 모델링을 통해 기질 특이성을 유사 구조인 레불린산까지 확장 적용해 레불린산을 수소화하는 신규 효소 개량 기술을 개발했다.

개발한 효소는 기존 경쟁 기술인 루테늄 기반 화학촉매에 비해 반응온도와 에너지 요구량이 낮고 고압의 외부 수소공급 없이 바이오매스 산처리 과정에서 레불린산의 부산물로 얻어지는 개미산을 통해 수소공급이 가능한 장점이 있다. 또한 기존 화학촉매와 달리 광학선택적으로 4-하이드록시 발레르산을 생산할 수 있어 수소, 전기가 대신하기 어려운 바이오항공유 뿐 아니라 고부가 물질인 바이오플라스틱, 바이오의약품(백혈병 치료제) 시장에도 확장 적용이 가능하다.

이처럼 연구진이 개발한 기술은 식량 자원에 비해 원가가 저렴하고 전 세계적으로 널리 분포하는 비식용성 바이오매스를 활용해 고부가 물질 생산과 이산화탄소 절감을 동시에 달성할 수 있는 새로운 길을 열었다. 이와 함께 이번 연구는 자연계에 존재하지 않는 효소를 구조 기반 계산 과학을 통해 개량 후 실제 농업폐기물을 원료로 하는 바이오공정에 적용했다는 점에서도 매우 큰 의미가 있다.

 

연구책임자인 민경선 박사는 “효소를 개량하여 그동안 자연계에서 알려진 바 없는 새로운 활성을 찾는 기술은 인간이 진화를 조절할 수 있는 기술로, 2018년 Caltech.의 Francis Arnold 교수가 효소 개량 연구의 선구자적 역할을 인정받아 노벨화학상을 수상하기도 했다.” 며 “성장 과정에서 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하기 때문에 탄소 중립형 원료로 각광받고 있는 바이오매스 중 농업폐기물을 바이오리파이너리의 중간 원료로 전환하는 효소기반 바이오 공정 개발 연구는 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.