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효소의 특정 부위에서 유독 가스를 정화할 수 있다는 사실이 확인됐다. UNIST(총장 이용훈) 탄소중립대학원 및 에너지화학공학과 김용환 교수팀은 에너지화학공학과 류정기 교수팀, 서울대학교 화학과 이형호 교수팀과 공동으로 일산화탄소 탈수소효소(Carbon Monoxide Dehydrogenase, CODH)가 가진 능력을 최초로 밝혔다. 일산화탄소 탈수소효소는 산업 폐기물 가스에 포함된 유해한 가스를 100%까지 완벽히 정화할 수 있다. 더 깨끗하고 안전한 환경을 조성할 수 있는 것이다. 일산화탄소 탈수소효소는 산업 폐기물 중 일산화탄소 전환에 주로 쓰이는 효소다. 하지만 이 효소의 정확한 전자전달 부위에 대해선 알려진 바가 없었다. 연구팀은 일산화탄소 탈수소효소의 특정한 전자전달 작용 부위를 발견했다. 전자를 가지고 있던 이 특정 부위에서는 전자를 잃는 산화반응이 진행된다. 이 반응에서 생성된 전자는 전자전달체에 의해 이동한다. 이때 유해한 일산화탄소 가스분자를 만나게 되고 유해한 가스를 정화하게 되는 것이다. 연구팀은 효소의 특정 부위를 정밀하게 조작해 효소의 활성을 더 촉진시킬 수 있는 방법도 개발했다. 효소의 전자전달 부위를 돌연변이화 시켜 다른 아미노산으로 교체하면 효소와 전자전달 매개체와의 친화도가 향상된다. 이를 통해 효소는 이전보다 더 빠르고 효율적으로 가스를 정화할 수 있다. 김용환 교수는 “효소를 이용한 산업 폐기물 가수 정화기술의 새로운 지평을 열었다”며 “이 효소를 활용해 다양한 실험을 수행했고, 실제 산업 폐기물 가스에 대해 높은 정화 능력을 나타내는 것을 확인했다”고 전했다. 제 1저자이자 교신저자인 김석민 연구교수는 “이번 연구 결과는 철강산업에서 발생하는 폐가스를 탄소자원으로 활용해 유용한 화학제품 생산으로 응용이 가능하다”며 “국내에서 탄소중립을 실현하는데 큰 도움이 될 것”이라 덧붙였다. 이번 연구는 산업 폐기물 가스로 인한 환경 오염 문제에 대한 새로운 해결책을 제시했다. 지속 가능한 환경 보호와 산업 발전이라는 두 마리 토끼를 잡은 것이다. 연구 결과는 세계적으로 저명한 과학 저널 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 3월 28일 온라인 게재됐다. 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 C1가스리파이너리사업과 ERC 선도연구센터의 지원으로 수행됐다. (논문명: Identifying a key spot for electron mediator-interaction to tailor CO dehydrogenase’s affinity) |
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경산업 공정, 특히 철강 제조 과정에서 발생하는 폐가스는 주로 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 수소(H2) 등으로 구성되어 있음. 이 가스들은 화학 및 에너지 전환의 풍부한 자원으로 간주되며, 지속 가능한 화학 산업에 있어 중요한 역할을 할 수 있음. 특히, POSCO와 같은 대규모 철강 제조 회사에서는 매년 21.9억 Nm³이상의 폐가스가 발생하고 있음. 이런 배경에서, 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함한 산업 폐가스의 청정하고 효율적 활용이 점점 더 중요해짐. 산업 폐가스의 활용을 위한 주요 방법 중 하나는 생물촉매(biocatalysts)를 사용하는 것임. 생물촉매는 온화한 반응 조건에서 뛰어난 성능을 보이기 때문에, 산업 폐가스의 청정 및 활용에 있어 유망한 대안으로 주목받고 있음. 특히, 일산화탄소 탈수소효소(CODH)와 포름산 탈수소효소(FDH)와 같은 효소는 각각 CO와 CO2를 기질로 사용하여 화학 물질로 전환하는데 중요함. 그러나, 이러한 가스를 활용하는 적정 반응에서 전자 매개체(electron mediator)의 역할이 중요함. 대부분의 가스를 활용하는 효소는 특정 균주 및 단백질에 특이적인 전자 운반 단백질에 의존하는 반면, 비올로겐(viologens)과 같은 인공 전자 매개체는 다양한 가스 전환 효소에 대해 보편적이고 쉽게 적용 가능한 대안을 제공함. 하지만, 인공 전자 매개체와 효소 간의 전자 전달 상호작용은 아직 명확히 이해되지 않고 있음. 이러한 연구 배경 하에, 본 연구팀은 CODH 효소와 비올로겐 사이의 상호작용을 개선하여, 산업 폐가스를 더 효율적으로 활용할 수 있는 새로운 방법을 개발하는 것을 목표로 하였음. 이를 통해, 청정하고 지속 가능한 화학 산업을 위한 새로운 전략을 제시하고자 하였음. |
2. 연구내용본 연구팀은 일산화탄소 탈수소효소(CODH)의 효율성을 향상시키기 위한 인공 전자 매개체와의 상호작용을 개선하는 새로운 접근법에 중점을 두었음. 연구팀은 CODH와 비올로겐(viologens) 사이의 상호작용 부위를 정밀하게 식별하고, 이를 통해 CODH의 비올로겐에 대한 친화도를 획기적으로 개선하는 전략을 개발함. 본 연구팀은 체계적인 알라닌 치환 실험을 통해 CODH의 비올로겐과 상호작용하는 표면 아미노산 잔기를 식별했음. 특히, 표면에 노출된 방향족 잔기가 비올로겐과의 상호작용에 중요함을 발견하였음. 본 연구팀은 CODH의 비올로겐 상호작용 부위 근처에 위치한 아미노산 잔기를 대상으로 다양한 돌연변이를 도입함으로써, 비올로겐에 대한 친화도를 약 10배 향상시켰음. 이러한 개선은 CODH의 반응 속도(kcat)에 영향을 주지 않으면서 달성되었음. 본 연구팀은 비올로겐과 복합체를 형성하는 CODH 변이체의 결정 구조를 해석하여, 비올로겐과의 상호작용이 향상된 메커니즘을 규명하였음. 이를 통해, 비올로겐이 CODH와 효과적으로 상호 작용할 수 있는 구조적 기반을 밝혀냈음. 개선된 CODH 변이체는 철강 제조 과정에서 발생하는 다양한 폐가스를 포함하여, 산소를 포함한 폐가스에서도 효과적으로 작동하는 것으로 확인되었음. 이는 CODH를 사용한 산업 폐가스 처리의 실용적 적용 가능성을 크게 높임. |
3. 기대효과본 연구에서 개발된 일산화탄소 탈수소효소(CODH)의 비올로겐 상호작용 개선 기술은 산업 폐가스 처리와 관련하여 여러 중요한 기대효과를 가지고 있음. 개선된 CODH는 철강 제조 과정과 같이 대량의 폐가스를 발생시키는 산업 분야에서 발생하는 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)와 같은 온실가스를 유용한 화학 물질로 전환할 때 원가 절감과 공정 효율성 증가를 가져올 수 있음. 이는 화학 산업의 경쟁력 강화에 기여할 수 있음. 본 연구는 CODH와 같은 생물촉매의 활용 범위를 넓히고, 생물촉매 기술의 발전을 촉진하는 데 기여함. 이는 생물학, 화학, 환경 공학 등 다양한 분야에서의 추가 연구와 혁신을 촉진할 수 있음. 이 기술은 환경 오염 문제에 대한 해결책을 제공하고, 지속 가능한 산업 발전을 지원하는 데 기여할 수 있음. 이는 지속 가능한 미래로의 전환을 촉진할 수 있음. |
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[붙임]그림설명 |
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그림1. 일산화탄소 전환효소의 전자전달 핵심부위 및 폐가스 정화기술 전체 모식도인공전자전달체를 이용하여 일산화탄소 전환효소 표면에서 전자전달 핵심부위를 탐색/발견하여 산업 폐가스 자원유래 유용 화학물과 에너지원 생산기술 흐름도. |
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그림2. 3D효소구조의 표면에 위치한 전자전달체 결합부위일산화탄소 전환효소의 3차원 구조결정을 통해 실제 효소표면에 전자전달체가 존재함을 확인하고 이의 메커니즘을 규명함 |
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그림3. 산업 폐가스를 이용한 가스정화 효소반응철강 산업에서 실제 발생하는 다양한 유독폐가스들과 폐플라스틱을 가스화한 유해폐가스를 대상으로 일산화탄소 전환기술을 통한 가스정화를 진행한 결과 매우 우수한 성능을 확임함. |
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![[연구그림1] 일산화탄소 전환효소의 전자전달 핵심부위 및 폐가스 정화기술 전체 모식도](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2014/11/press_20141125_03.jpg)
![[연구그림2] 3D효소구조의 표면에 위치한 전자전달체 결합부위](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2014/11/press03_20141125.jpg)
