한빛사 인터뷰
- 등록2023-11-03
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1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
미생물을 이용하여 태양에너지를 재생가능에너지원으로 전환하는 연구는 꾸준히 주목받아 오고 있습니다. 특히 유전체 변형을 통해 대사 과정의 효율성을 높인 미생물 균주를 제작하거나, 빛에너지를 흡수할 수 있는 반도체와 미생물을 결합한 Biohybrid 제작하는 등 다양한 첨단 기법을 기반으로 광합성 미생물의 질소 고정반응(Nitrogen fixation)을 활용하여 효율적으로 수소 생산을 하는 연구가 전 세계 다양한 연구진들에 의해서 진행되어 오고 있습니다. 하지만 기존 미생물 배양 의존적인 방식들은 지속적인 반응물의 공급이 필요, 비효율적인 기체 생성물의 확보, 방대한 agitation을 필요, 액체 배지에의 빛의 산란에 의한 광합성 효율의 감소 등 한계점들이 있었습니다. 따라서 효율성 증대 및 Scale-up을 위해서는 적합한 Reactor를 개발하거나 새로운 플랫폼에 접목이 필수적입니다. 본 연구에서는 앞서 제시된 한계점들을 극복할 수 있는 새로운 Microbial photoreactor system을 제시하였습니다. 먼저 광합성 세균으로 짐작되어 왔던 Rhodopseudomonas parapalustris JA310의 전체 유전체를 최초로 분석하여 가장 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 광합성 조건을 정립하였습니다. 이 조건에서 배양된 세균을 polyurethane (HPU)-poly(propylene glycol) (PPG) hydrogel 위에 접합하여 물에 띄워 효율적인 질소 공급과 수소 포집이 가능해지게 했습니다. 이를 통해 기존에 보고되어 왔던 배양 방식 모델에 비해 약 53배 높은 효율의 수소 생산성(104mmol h-1 m-2)을 확인하였으며, 144 cm2 크기의 scaled-up device에서는 1.52L h-1 m-2의 높은 수소 생산성을 확인하였습니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
본 연구는 서울대학교 Nanoparticle Research Institute for Basic Science (IBS) 소속 김대형 교수님 연구실의 제안으로 저희 서울대학교 자연과학대학 생명과학부 미생물 생리학 실험실 석영재 교수님 연구실이 함께 협업하여 시작하였습니다. 김대형 교수님 연구실은 최근 HPU-PPG hydrogel에 광촉매를 접목한 수소 생산 플랫폼을 개발하여 올해 논문을 출판하였습니다. (https://www.nature.com/articles/s41565-023-01385-4). 이 hydrogel을 활용하면서 생명체를 이용한 새로운 형태의 수소 생산 플랫폼을 고안하기 위해 우리 연구실에서는 정읍에 소재한 생물자원센터(KCTC)로부터 광합성 세균으로 알려진 Rhodopseudomonas parapalustris JA310을 분양받았습니다. 강원대학교 조용준 교수님의 도움을 받아 이 균의 유전체 분석을 진행하였으며, 이를 바탕으로 기존에 수소 생산에 주로 사용되어 오던 Benchmark 미생물인 근연종 Rhodopseudomonas palustris 의 대안으로써 R. para palustris 가 적절함을 입증하였고, 효율적인 광합성 조건을 확립할 수 있었습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
성공적인 Microbial photoreactor system을 정립하기 위해서는 세균의 유전체 분석 및 유전자 발현 비교분석, 혐기성 환경에서의 광합성 미생물 배양, Hydrogel의 물리적 성질 검증, Hydrogel 내 미생물 접합, Gas chromatography를 활용한 수소 계측, 수치 모델을 활용한 시뮬레이션, 직접 주조한 구조물 설계를 통한 Scale-up 등 다양한 실험과 기술들을 서로 다른 연구 기관에서 많은 시간과 노력을 들여 테스트해 보고 실험 조건을 정립하였습니다.
이 과정에서 다양한 시각과 실험기법을 공유할 수 있었고 연구자로서 매우 소중하고 귀한 경험이었다고 생각합니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
이번 기회를 통해 서로 다른 분야의 연구진과 함께하는 협업을 통해 다양한 연구 경험을 해보고, 새로운 분야를 배우는 것이 연구자에게는 매우 중요하다는 걸 알게 되었습니다. 이미 많은 분께서 조언하신 것처럼 다양한 분야의 연구를 할 기회가 있다면 적극 참여하는 것이 좋다고 생각합니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
광합성 세균의 광합성과 질소 고정반응은 상호 배타적 작용으로 세포 내 환원된 전자수용체들을 산화시켜 재사용할 수 있게 하므로, 정상적인 세균의 생존에 필수적입니다. 세균이 빛에너지를 이용하여 살아가기 위해서는 탄소원이 전자전달체이자 에너지원으로 활용하게 됩니다. 이때 전자의 흐름이 광합성을 향해 가는지 아니면 질소 고정 즉 수소 생산을 향해 가는지가 중요하지만 왜 특정 탄소원에서 수소 생산이 더 효율적으로 진행되는지 명확히 파악하기 어려웠습니다. 앞으로 이와 관련하여 광합성 미생물의 대사와 광합성 과정에 대해서 더 공부해 보고 싶습니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
저는 미생물 생리학 실험실에 있으면서 대장균, 인체 감염균인 비브리오 콜레라균, 장내 유익균인 피컬리박테리움을 대상으로 주로 탄소원에 의한 영양분 수송 유전자의 발현 조절 기전을 주로 연구해왔습니다. 이에 더해 이번 연구를 통해 혐기성 환경에서 특정 조도 이상의 빛이 있어야 하는 광합성 세균을 직접 배양하고, 유전체 분석을 하는 등 새로운 도전을 할 수 있었습니다.
한국에 있는 동안, 이 연구를 진행하는데 지도해 주시고, 제가 미국에 와서도 좋은 성과물로 결과 지을 수 있도록 지도해 주신 석영재 교수님께 감사드립니다. 또한 이 프로젝트가 진행되는 동안 풍부한 경험을 바탕으로 많은 조언을 아낌없이 해주신 김연란 박사님, 남태욱 박사님께도 감사의 말씀을 드립니다. 이 균의 최초 유전체 분석을 주도적으로 진행해 주신 조용준 교수님께도 감사드립니다. 또한 저와 함께 까다로운 광합성 세균을 배양하고, 실험을 진행해 준 박가희 연구원에게도 감사드립니다. 마지막으로 저희에게 함께 연구할 기회를 주신 김대형 교수님과 연구를 주도적으로 진행하고 함께 논문 작성에 힘써주신 이왕희, 박현서 연구원에게도 깊은 감사의 말씀 전해드립니다.
#바이오 수소생산
#Microbial photoreactor system
#광합성 세균
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