▲ 박찬범 교수. 박찬범 교수

KAIST(총장 서남표) 신소재공학과 박찬범 교수팀이 나노소재를 이용해 자연계의 광합성을 모방한 ‘인공광합성’ 시스템 개발에 성공했다.

이러한 새로운 개념의 인공광합성 기술은 고부가가치의 각종 정밀의약품들을 태양에너지를 이용해 생산하는 친환경 녹색생물공정 개발의 전기가 될 것으로 기대된다.

식물 등 자연계의 광합성 생물체들은 태양에너지를 이용해 환원력을 재생하여 보조인자(cofactor)라는 형태로 저장하고, 이렇게 재생된 보조인자 등을 빛이 없을 때 캘빈 사이클 (calvin cycle)을 통해 생존에 필요한 탄수화물 등 각종 화학물질들을 합성하는 데 이용한다.

박 교수팀은 이러한 자연광합성시스템을 모방해 자연계의 광반응 (light reaction) 대신 태양전지 등에서 사용되는 양자점 (quantum dot) 등 수 나노크기의 광감응소재로 빛에너지를 전기에너지로 효율적으로 전환하고, 이를 이용해 보조인자를 재생했다.

또한 자연계의 복잡한 캘빈 사이클 대신 산화환원 효소반응을 보조인자 재생에 연결시킴으로써 빛에너지로부터 시작해 최종적으로 정밀화학물질 생산이 가능한 반응시스템을 개발했다.

인류가 지구 온난화와 화석 연료의 고갈이라는 문제를 안고 있는 가운데, 온난화의 원인인 이산화탄소를 배출하지 않고 또한 무제한으로 존재하는 태양 에너지를 이용하려는 노력이 계속되고 있는 데, 이번에 개발된 인공광합성기술은 에너지원으로 무한한 태양광을 사용한다는 장점 때문에 그 파급효과가 클 것으로 기대된다.

특히 각종 정밀화학물질 합성에 있어서 산화환원효소들이 매우 뛰어난 응용가능성/다양성을 가졌음에도 불구하고 이들의 효율적 사용을 위하여 필수적으로 요구되는 보조인자의 재생에 대한 연구는 지난 20여년동안 수행되어 왔으나 현재까지도 성공적인 결과가 거의 없어 향후 생물공학분야에서 해결돼야 할 미해결 난제들 중의 하나였다.

박교수팀의 연구성과는 산화환원효소를 산업적으로 활용하기 위한 토대를 마련한 것이다.

관련 연구결과는 독일에서 발간되는 나노분야 국제저명학술지인 Small지 최근호(4월 23일자 온라인판)에 게재됐으며, 최근 특허출원이 완료됐다.

이번 연구는 교육과학기술부 신기술융합형 성장동력사업(생물공정연구단) 등으로부터 지원을 받아 수행됐으며, 나노과학과 생명공학분야의 창의적인 융합을 통하여 새로운 공정기술을 개발하는데 크게 기여했다는 평가를 받았다.

* 양자점 (quantum dot): 수 나노미터 크기의 구 형태를 가진 반도체 (CdSe, CdTe, CdS 등) 입자로 이루어진 물질로서 전자를 가두어 놓을 수 있는 특성을 가지고 있고, 높은 양자효율, 용이한 흡수파장제어, 뛰어난 색순도 등으로 태양전지, 세포이미징, 바이오센서 등에서 사용되는 광감응소재.

* 산화환원효소 (oxidoreductases): 생체촉매인 효소(enzyme)의 일종으로 각종 산화환원반응에 관여하여 반응생성속도를 촉진시키는 단백질(protein).