[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전 세계적인 탄소 배출량 증가로 인해 기후 위기가 심화되면서, 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 기술이 주목받고 있다. 특히 부탄올은 기존 내연기관의 연료로 사용 가능하며 에너지 밀도가 높아 차세대 바이오 연료로 꼽힌다. 하지만 이산화탄소로부터 직접 부탄올을 만드는 미생물은 효율이 낮고 공정 제어가 어려워 상용화에 한계가 있었다.

2. 연구내용

연구팀은 두 미생물을 공정상에서 분업시키는 방식으로 이 문제를 풀었다. 기체 CO₂를 아세트산으로 전환하는 스포로뮤사 오바타(아세토젠균의 일종)를 첫 단계에 두고, 이 미생물이 만든 아세트산을 대장균이 받아 부탄올로 전환하도록 반응기를 직렬로 연결했다. 이렇게 두 미생물이 서로 다른 환경에서 최적 조건으로 작동하도록 분리하면서도, 중간 물질의 흐름은 연속적으로 유지하는 구조를 만들었다.

또 유전자 조작으로 대장균 내부 대사를 조정해 아세트산 흡수 능력과 전환 효율을 높인 결과, 초기 생산 균주에 비해 부탄올 생산량이 약 3배 이상 증가했다. 실제 연속 운전에서도 별도의 유기 탄소 공급 없이 CO₂와 수소만으로 90시간 이상 안정적인 부탄올 생산이 유지되는 것이 확인됐다.

3. 기대효과

본 연구는 탄소 중립 연료 생산을 위한 확장 가능한 프레임워크를 제공한다. 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 직접 활용하므로 온실가스 감축 효과가 크며, 연속식 공정을 통해 산업적 적용 가능성을 입증했다. 향후 공정 최적화를 통해 바이오 연료의 경제적 경쟁력을 확보하는 데 기여할 것으로 보인다.

[붙임] 용어설명

1.부탄올(Butanol)

탄소 4개로 이루어진 알코올 연료. 에탄올보다 에너지 효율이 높고 부식성이 적어 차세대 바이오 연료로 각광받는다.

2.스포로뮤사 오바타(Sporomusa ovata)

이산화탄소를 탄소원으로, 수소를 에너지원으로 사용하여 아세테이트(초산)를 생산하는 아세토젠 미생물의 일종.

3.대장균(Escherichia coli, E. coli)

생물공학에서 널리 쓰이는 모델 미생물. 본 연구에서는 대사 공학을 통해 외부에서 들어온 아세테이트를 효율적으로 섭취하여 최종 산물인 부탄올을 만들도록 개량됨.

4.연속 배양 반응기(Chemostat)

미생물의 농도와 환경을 일정하게 유지하기 위해 신선한 배양액을 계속 공급하는 동시에 같은 양의 배양액을 배출하는 생물 반응기.

5.대사 공학(Metabolic Engineering)

세포 내 유전자 경로를 조작하여 원하는 물질을 대량 생산하도록 최적화하는 기술.

[붙임] 그림설명

그림설명 두 개의 연속 배양 반응기(Chemostat)를 이용한 미생물 기반 부탄올 생산 공정 개요도.

첫 번째 생물 반응기(BR1)에서는 아세토젠균(Sporomusa ovata)에 의해 이산화탄소가 아세트산(acetate)으로 전환된다. 이 아세트산은 이후 두 번째 반응기(BR2)로 자동적으로 이송되며, 이곳에서 개량된 대장균이 아세트산을 이용해 부탄올을 합성한다.