UNIST(총장 이용훈) 탄소중립대학원 및 에너지화학공학과 김용환 교수, 김석민 박사와 서울대학교 화학과 이형호 교수 공동연구팀은 단백질 미세터널구조를 재설계해 일산화탄소(CO)를 효율적으로 전환하는 새로운 산업 효소를 개발했다. 철강산업에서 발생하는 부생가스를 사전 처리 없이 바로 활용할 수 있다.
개발된 산소에 안정화된 일산화탄소 전환효소(CO dehydrogenase, CODH)는 산업 부생가스 중 일산화탄소를 포함한 여러 독성물질 환경에서도 안정적으로 작동하는 효소 개발의 필요성에 기반했다. 특히, 자연에서 발견되는 산소에 민감한 일산화탄소 전환효소들과 달리, 공기 중 산소와 다른 독성물질에 대한 높은 안정성을 보여준다.
그림1. 일산화탄소 전환효소 CODH의 기질통로
연구팀은 3차원 단백질 분자 구조 내부에 존재하는 기질이동통로를 중심으로 분석했다. 산소의 이동을 방해하는 병목 지점을 재설계해 효소의 산소 안정성을 대폭 향상시켰다. 이를 통해, 철강산업에서 배출되는 폐가스를 안정적으로 전환할 수 있음을 실험을 통해 입증했다.
또한, 연구팀은 개발된 효소를 활용해 실제 제철부생가스 일산화탄소 수화 반응에 적용했다. 성공적으로 개미산(formic acid)을 대량으로 생산할 수 있었다. 이는 제철산업뿐만 아니라, 석탄, 플라스틱 폐기물에서 발생하는 가스 등을 자원으로 활용할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다.
그림2. 실제 제철 폐부생가스 LDG유래 일산화탄소 전환반응
김용환 교수는 “개발된 효소는 현재 현대제철, POSCO 제철산업 현장에서 직접 검증 됐다”며 “제철 탈탄소화의 새로운 전기를 마련할 것으로 기대된다”고 전했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 C1가스리파이너리사업단 및 선도연구센터사업의 일환으로 수행됐다. 그 성과는 국제학술지 ‘네이쳐 카탈리시스 (Nature Catalysis)’ 표지논문으로, 또한 ‘네이쳐 (Nature)’에 하이라이트와 ‘네이쳐 화학공학 (Nature Chemical Engineering)’에 Collection으로 2022년, 2023년 각각 게재됐다.
