고려대학교 식품공학과

김경헌, 최인걸 교수팀, 홍조류에서 3세대 자동차 연료 생산 가능성 열어 
바이오연료 및 바이오플라스틱 생산하는 핵심기술 응용 기대

▲ 대학원 생명공학과 김경헌 교수(좌), 최인걸 교수(우)

국내 연구진이 우뭇가사리 같은 홍조류의 주성분(한천 무수당)이 발효되는 과정을 규명하고 3세대 바이오에탄올을 생산할 수 있는 실마리를 찾아냈다.

* 홍조류 : 우뭇가사리 같은 붉은색을 띠는 해조류로 한천과 같은 탄수화물 함량이 높고 잘 분해되지 않는 리그닌 함량이 적어 제 3세대 바이오매스의 원천으 주목받는다. 
* 한천 무수당(3,6-안하이드로-L-갈락토오스) : 홍조류의 주요 구성성분으로 생물체에 의한 발효과정이 알려져 있지 않아 발효 등 산업적 원료로의 활용이 불가능했다.
* 3세대 바이오에탄올 : 사탕수수나 옥수수 등 식용 바이오매스를 원료로 한 1세대, 목질계 등을 원료호 한 2세대 바이오에탄올과 달리 해조류를 원료로 한 바이오에탄올

고려대 대학원 생명공학과 김경헌, 최인걸 교수팀(연구원 윤은주, 이세영)이 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행한 이번 연구결과는 환경미생물 분야 국제학술지인 Environmental Microbiology(IF=6.240) 온라인판 9월 30일자에 게재됐다.

(논문제목 : The Novel Catabolic Pathway of 3,6-Anhydro-L-galactose, the Main Component of Red Macroalgae, in a Marine Bacterium)

바다에서 대규모로 양식되는 해조류에서 에탄올을 생산하게 되면 가솔린 소비량의 상당부분을 대체할 수 있다. 특히 홍조류는 탄수화물 함량이 높아 바이오에탄올 생산에 유리하지만 홍조류의 주성분인 한천 무수당의 대사경로가 알려지지 않아 바이오에탄올 생산에는 한계가 있었다.

연구팀은 한천 무수당을 먹고 자라는 해양미생물 비브리오를 분리하고 이 미생물이 한천 무수당을 분해하는 대사경로를 규명했다. 
* 비브리오 : 해양에서 많이 서식하는 미생물로 해조류를 먹고 자라는 종류가 있다.

기존 산업용 미생물과 달리 이번에 밝혀진 대사경로에 포함된 새로운 발효 효소를 가진 대장균을 이용하면 한천 무수당을 발효시켜 홍조류에서 에탄올을 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

실제 밝혀진 발효효소를 에탄올 생산용 대장균에 도입한 결과 기존에탄올 생산용 대장균 대비 에탄올 생산량이 24% 증가한 것으로 나타났다.
※ 참고로 해양수산부 분석(2010년)에 따르면 우리나라에서 50만 헥타르의 해조류 양식장에서 거대조류를 양식하고 이를 이용하여 에탄올을 생산하게 되면 국내 자동차 휘발유 소비량의 31%를 대체할 수 있을 것으로 예측됨.

김경헌 교수는 “향후 목질계, 초본계 바이오매스가 부족한 우리나라에서 해조류 바이오매스를 이용하여 바이오연료 및 바이오플라스틱을 생산하는 핵심적인 기술로 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.

[ 용 어 설 명 ]

1. Environmental Microbiology지
  ○  영국 응용미생물학회(Society for Applied Microbiology)에서 출판하는 환경미생물 분야 국제학술지

2. 바이오매스
  ○  지구상의 모든 유기성 생물체를 총칭하나 바이오에너지 분야에서는 광합성을 통해 만들어지는 모든 식물체를 말하며 곡식이나 사탕수수 등의 제 1세대, 목질계 등의 제 2세대, 해조류, 미세조류 등의 제 3세대 바이오매스로 나뉜다. 

3. 홍조류 바이오매스
  ○  탄수화물 함량이 높고 잘 분해되지 않는 리그닌의 함량이 적으며 온실가스 성분인 이산화탄소(CO2) 고정 능력이 우수한 홍조류(Rhodophyta)를 이용한 해양자원
  ○  옥수수, 사탕수수, 감자 등 식용성 작물이 주류인 1세대 전분질계 바이오매스와 2세대 목질계 바이오매스에 이은 차세대 3세대 바이오매스 가운데 하나이다.

4. 한천 무수당 (3,6-안하이드로-L-갈락토오스)
  ○ 우뭇가사리 같은 홍조류의 주요 구성성분으로 갈락토오스와 α-1,3와 β-1,4 교차결합을 통하여 홍조류의 주요한 탄수화물인 아가로스 다당체를 형성
  ○  미생물이 발효할 수 있는 갈락토오스에서 물 분자(H2O) 하나가 빠진 단당체
  ○  한천 무수당은 홍조류 건조 중량의 34%에 달하나 대사경로가 규명되지 않아 산업적 이용에 한계가 있었다. 이번 연구에서 한천 무수당의 대사경로를 규명하였다.

5. 바이오화학산업
  ○ 화석원료를 바이오매스로 대체하여 기존의 화학공정을 바이오 또는 바이오 및 화학 융합공정으로 대체하여 바이오플라스틱, 바이오연료, 기능성 소재 등을 생산하고 활용하는 산업

[ 그 림 설 명 ]

▲ 그림 1. 홍조류 바이오매스로부터 바이오연료 및 화학소재 생산
(가) 우뭇가사리 같은 홍조류를 구성하는 주요 탄수화물인 아가로스에 대한 전처리(1단계)와 당화 공정(2단계)을 통한 한천 무수당과 D-갈락토오스 생산과정
(나) 한천 무수당의 신규 대사경로를 도입한 재조합 생물 발효를 통한 바이오연료 및 화학소재 생산원리 모식도

▲ 그림 2. 한천 무수당의 신규 발효경로를 도입한 미생물의 바이오에탄올 생산 능력
(가) 한천 무수당의 신규대사경로를 도입한 재조합 미생물과 대조군의 세포생장곡선으로 별다른 차이가 없는 것으로 나타났다.
(나) 미생물 발효 시 기질로 사용된 한천 무수당과 D-갈락토오스의 시간별 소비량 곡선으로 대조군에 비해 재조합 미생물이 빠르게 한천 무수당을 소비하는 것으로 나타났다.
(다) 미생물 발효산물인 바이오에탄올 생산량 곡선으로 대조군에 비해 재조합 미생물이 보다 많은 에탄올을 생성하는 것으로 나타났다.