[뉴스에듀] 경북대학교 김경진 교수와 한국과학기술원(KAIST) 이상엽 교수팀이 친환경 차세대 에너지 ‘바이오부탄올’의 생산효율을 향상시킬 수 있는 ‘바이오부탄올 생산효소 구조 및 기작’에 대한 원천기술을 세계 최초로 개발했다.

미래창조과학부와 한국연구재단의 기후변화대응기술개발사업 및 글로벌프런티어 차세대바이오매스사업단 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 온라인판 9월 22일자에 게재됐다.

바이오부탄올은 바이오연료로 이미 상용화된 바이오에탄올을 능가하는 친환경 차세대 수송용 바이오연료로 각광받고 있다. 바이오부탄올의 에너지밀도는 리터당 29.2MJ(메가줄)로 바이오에탄올(19.6MJ)보다 48%이상 높고 휘발유(32MJ)와 견줄만하다.

또 폐목재, 볏짚, 잉여 사탕수수, 해조류 등 비식용 바이오매스에서 추출하므로 식량파동에서도 자유롭다. 휘발유와 공기연료비, 기화열, 옥탄가 등 연료 성능이 유사해 현재 사용되고 있는 가솔린 엔진에 그대로 사용해도 되는 게 바이오부탄올의 큰 장점이다.

바이오부탄올은 클로스트리듐이라는 미생물로부터 생산 가능하며, 최근 KAIST와 GS칼텍스의 공동연구를 통해 우수한 성능의 미생물 균주가 개발된 바 있다. 그러나 바이오부탄올 생산 미생물인 클로스트리듐의 주요 효소에 대한 구조와 기작에 대한 연구는 체계적으로 수행되지 못했다.

김경진 교수와 이상엽 교수는 바이오부탄올 생산 미생물의 성능 향상을 위해 바이오부탄올 생합성에 필요한 주요 효소(thiolase)의 3차원 입체구조를 포항방사광가속기를 이용해 규명했다.

이를 통해 일반적인 미생물이 가지고 있는 효소에서는 발견되지 않고 바이오부탄올 생합성 미생물의 효소(thiolase)에서만 특이적으로 관찰되는 산화-환원 스위치 구조를 찾았다. 또한 바이오부탄올 생합성 미생물의 효소(thiolase)가 실제 미생물 내에서 산화-환원 스위치로 작동한다는 사실을 가상세포모델 등을 활용한 시스템대사공학 기법으로 증명했다.

새롭게 밝힌 효소(thiolase)구조 원천기술을 활용해 활성이 향상된 돌연변이 효소를 설계하였으며, 이를 이용해 바이오부탄올 생산 미생물의 대사회로를 조작함으로써 바이오부탄올 생합성이 향상되는 결과를 얻었다.

김경진 교수와 이상엽 교수는 “바이오부탄올 생합성 대사회로에서 가장 중요한 효소 중 하나인 해당 효소(thiolase)의 구조와 작용기작을 세계 최초로 밝힌 것”이라며 “해당 효소원천기술을 활용하여 차세대 연료인 바이오부탄올을 더욱 경제적으로 생산가능하다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.