1. 서론

1) 기후위기 대두 및 탄소중립 선언

   산업혁명 이후 인류의 활동이 급격히 증가하고 화석연료의 무분별한 사용이 이어지면서, 지구 대기 중 이산화탄소 농도는 급격히 상승했다(그림 1). 이로 인해 발생한 이산화탄소는 지구 내부의 열을 가두어 온실효과를 유발하며, 범지구적 기후변화를 가속화하고 있다. 2018년 정부 간 협의체(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)는 ‘지구온난화 1.5℃ 특별 보고서’를 통해 지구 평균 온도가 산업화 이전 대비 1.5℃ 상승하는 시점을 2030~2052년 사이로 예상한 바 있지만, 이후 발표된 IPCC 보고서에서는 이 시기가 2038년경으로 앞당겨질 것으로 전망되었으며, 자연재해의 빈도와 강도가 더욱 심화될 것이라고 경고했고, 이는 점차 현실화되고 있다. IPCC는 기후변화에 효과적으로 대응하기 위해서는 2100년까지 지구 평균 온도 상승폭을 1.5℃ 이내로 제한해야 하며, 이를 위해 2030년까지 전 세계 이산화탄소 배출량을 2010년대비 최소 45% 이상 감축하고, 2050년까지 탄소중립(Net-zero)을 달성해야 한다고 제시했다1).

그림 1. 전 세계 이산화탄소 및 메탄 가스 방출 추이 그래프2).

   IPCC의 권고에 따라 우리나라도 ‘2050 탄소중립’을 선언하고, 2030년까지 국가 온실가스 감축 목표(NDC, Nationally Determined Contribution)를 2018년 대비 40% 감축하는 것을 목표로 설정했다. 이 목표를 달성하기 위해서는 2030년까지 연평균 27.3백만 톤의 온실가스를 감축해야 하며, 2050 탄소중립을 위해서는 이후에도 연평균 21.8백만 톤 이상의 감축을 지속적으로 이뤄내야 한다(그림 2). 매우 도전적인 목표의 달성을 위해, 정부와 주요 기업들은 이산화탄소 포집 및 활용 기술 (CCU, Carbon Capture and Utilization)의 개발과 혁신적 성장을 위해 대규모 투자를 계획하고 시행하고 있다.

2) 이산화탄소 포집 및 활용 CCU 기술 소개

   현재 대두되는 주요 이산화탄소 포집 및 활용 기술(CCU, Carbon Capture and Utilization)에는 ‘화학전환(Chemical conversion process)’, ‘생물전환(Biological conversion process)’으로 크게 나눌 수 있다.

   화학전환은 이산화탄소를 원료로 사용해 열촉매화학, 광화학, 전기화학, 효소화학 등의 공정을 통해 다양한 기초화학 원료와 탄소화합물을 생성하는 과정을 말한다. 이 공정은 이산화탄소와 메탄 등의 원료물질에 대해 높은 선택도와 빠른 반응속도를 제공하여 대량의 탄소를 효율적으로 포집하고 전환할 수 있는 장점을 가지고 있지만, 이 반응을 유지하려면 100~1,000℃의 고온과 20~200 MPa의 고압 같은 엄격한 반응 조건이 필요하기에 이를 장시간 지속하기 위해 많은 에너지가 소모되는 한계가 있다. 또한, 현재 화학전환 기술은 이산화탄소(CO2)를 일산화탄소(CO), 개미산(formic acid, CH2O2), 메탄올(methanol, CH4O)과 같은 탄소 1개를 포함하는 물질로 전환하는 데 주로 사용되며, 더 복잡한 화학물질로 전환하기 위해서는 추가적인 촉매 과정을 거쳐야 한다는 제한이 있다.

   반면, 생물전환은 이산화탄소와 메탄 등을 활용할 수 있는 미생물을 생체촉매로 활용하여 바이오매스, 바이오연료, 다양한 바이오소재 등을 생산하는 공정을 의미한다. 주요 촉매 후보로는 미세조류, 아세토젠, 메탄영양세균 등이 있으며 (그림 3), 이 공정의 장점은 화학촉매 공정에 비해 상대적으로 낮은 온도와 압력 조건에서 진행될 수 있다는 점이다. 그러나 생물전환 공정은 다량의 물을 필요로 하며, 생물체의 특성으로 인해 선택도와 반응속도가 낮다는 한계가 있다. 그럼에도 불구하고, 이 공정은 탄소를 두 개 이상 포함하는 아세트산(acetic acid, C2H4O2), 에탄올(ethanol, C2H6O), 아이소프로판올(Isopropanol, C3H8O), 2,3-BDO(2,3-butanediol, C4H10O2)과 같은 다양한 최종 산물을 생산할 수 있어 활용 가능성이 높다는 점에서 유리한 측면이 있다. 이렇듯 두 전환 기술은 서로 상호보완적인 측면이 있기에, 업스트림에서는 화학전환 기술이, 다운스트림공정에서는 생물전환 기술이 주요 핵심기술로 사용되는 융복합 공정기술이 대두되기도 한다. 이 경우, 공정속도가 빠른 화학전환 공정과 속도가 느린 생물전환 공정의 최적화가 핵심이 되기에, 결국, CCU 기술의 핵심은 생물전환 촉매의 C1 탄소 활용능 극대화 및 유용물질 생산성 극대화가 될 것이다. 따라서, 이번 기고문에서는 생물전환 CCU의 주요 핵심 미생물들에 대한 고정능 및 활용도 개선을 위한 최신 연구동향을 소개하고자 한다.

2. 본론

1) 미세조류 (Microalgae) 활용 CCU 기술 동향

   미세조류의 가장 큰 특징은 빛에너지를 생물학적 에너지로 전환할 수 있는 광합성 메커니즘을 통해 친환경적인 이산화탄소 포집 및 활용이 가능하다는 점이다(그림 4)3),4). 이러한 이유로 미세조류는 생물학적 CCU 촉매로 각광받고 있으며, 특히, 미세조류를 활용한 CCU 기술은 바이오매스, 바이오연료, 바이오플라스틱 생산의 세 가지 주요 방향에서 활발

히 연구되고 있다(그림 4)5).

   미세조류는 높은 이산화탄소 고정률을 통해 단백질, 지방, 탄수화물 등의 유용한 바이오매스를 효율적으로 합성하고 체내에 축적하는 것으로 잘 알려져 있기에 이를 활용하는 연구들이 많이 수행되고 있다. 예를 들어, Chlorella 속의 일부 미세조류는 식용으로 안정성이 입증되어 이산화탄소를 원료로 한 사료나 식품첨가물 생산에 활용되고 있으며, 주로 중

국과 일본에서 활발히 연구가 진행되고 있다.

   미세조류는 질소원의 함량에 따라 지방산을 축적하기도 하는데, 이를 활용하여 바이오디젤뿐만 아니라 바이오에탄올, 바이오가스 등의 다양한 바이오연료를 생산하는 연구가 유럽과 미국에서 진행되고 있으며, 최근에는 지속가능한 항공유(SAF, Sustainable Aviation Fuel)로의 전환 연구도 수행되고 있다5),6).

   마지막으로, 미세조류를 이용해 이산화탄소로부터 다양한 고부가가치 물질을 생산할 수도 있는데, 화장품, 의약품, 건강기능식품 뿐만 아니라, 폴리하이드록시알카노에이트(PHA, Polyhydroxyalkanoate)와 같은 생분해성 바이오플라스틱 생산도 가능하다.

   문제는, 미세조류의 상용화를 위해서는 대규모 배양 시스템의 개발과 공정 효율화가 필수적인데, 이 과정에서는 장점으로 보이는 광합성 시스템 활용 부분이 오히려 단점으로 부각되기도 한다. 따라서, 빛의 활용성을 높이기 위해, 다양한 배양기 타입들이 연구되고 있는데, 최근 연구에서는 개방형 연못(Open pond) 배양 시스템, 폐쇄형 광생물반응기

(Photobioreactor) 시스템 등 다양한 배양 방식이 개발되고 있으며, 각각의 시스템에서 최적의 CO2 포집 효율과 생산성을 달성하기 위한 연구가 진행되고 있다(그림 5).

2) 메탄영양미생물 (Methanotrophs)

   메탄(CH4)은 대기 중에서 이산화탄소 대비 200분의 1 수준으로 존재하지만, 지구온난화지수(Global warming potential)가 이산화탄소보다 21배 큰 것으로 알려져 있다. 메탄영양미생물(Methanotroph)은 생물학적 CCU 촉매 중 유일하게 메탄(CH4)을 산화시켜 에너지원으로 활용하는 고세균의 일종이다. 이들 미생물들은 메탄모노옥시게나아제 (MMO, Methane Monooxygenase)라는 독특한 효소에 의해 메탄을 산화시켜, 메탄올(CH3OH)을 생성한다. 메탄올은 화학산업의 중요한 원료로서, 다양한 화합물과 연료의 기초물질로 활용되기도 하며, 메탄영양미생물은 이를 Ribulose Monophosphate (RuMP) cycle, Serine Cycle 등과 연계하여 다양한 바이오매스 원료 물질을 생산하기도 하며, 일부 메탄영양미생물에서는 폴리하이드록시부티레이트(PHB, Polyhydroxybutyrate)와 같은 생분해성 바이오플라스틱을 체내 축적하기도 한다(그림 6)10), 11).

   최근 유전자 개량 기술들이 접목되면서 메탄영양미생물을 상업화하려는 연구들이 많이 수행되고 있지만, 아직 메탄가스를 활용한 스케일업 등의 공정기술들이 뒷받침되어 주지 못하고 있기에, pilot-scale에서의 실험결과들 및 상용화 과정이 많이 부족한 실정이다. 최근, 국내 여러 연구진들을 필두로 하여 메탄영양미생물을 활용한 많은 연구들을 수행하고 있고, 메탄가스의 활용 니즈가 커져감에 따라 메탄이 발생하는 매립지, 폐기물 처리장 등의 친환경적 전환기술이 접목될 것으로 기대한다.

3) 아세토젠 미생물 (Acetogenic bacteria)

   아세토젠 미생물(Acetogenic Bacteria, acetogen)은 이산화탄소(CO2)뿐만 아니라 일산화탄소(CO)를 탄소원으로 아세트산을 생합성하는 미생물을 말하며, 이들 미생물들은 공통적으로 가지고 있는 우드-융달(Wood-Ljungdahl) 대사회로 및 에너지 보존회로를 통해, 2분자의 이산화탄소로부터 생체 내 주요 대사전구체인 아세틸코에이(acetyl-CoA)를 합성할 수 있다12). 아세토젠 미생물은 이를 아세트산(acetic acid, C2H4O2), 에탄올(ethanol, C2H6O), 아이소프로판올 (Isopropanol, C3H8O), 2,3-BDO(2,3-butanediol, C4H10O2) 등의 다양한 기초 화학원료 물질로 전환할 수 있기에, 탄소중립 시대를 맞이하여 CCU의 주요 생체촉매로 잠재력이 매우 높아, 많은 연구자들이 acetyl-CoA로부터 다양한 고부가가치 화학원료물질을 고생산하는 연구를 수행하고 있다(그림 7)12), 13).

   아세토젠 미생물이 가장 크게 각광받는 점은 이미 해당 미생물을 활용하여 상업화에 성공한 LnazaTech이라는 기업이 존재하기 때문이다14). LanzaTech은 산업부생가스를 고정하여 바이오연료나 다양한 유용 물질을 생산할 수 있는 아세토젠 미생물을 활용하여 사업화에 성공하였다(그림 8). 이러한 LanzaTech의 성공을 이끈 가장 핵심기술은 산업부생가스로부터 바이오에탄올을 생산하는 생체촉매 개발기술과, 이를 위한 실증화플렌트 구축 및 운용기술이다. Lanzatech은 2007년도부터 현재까지 총 2000 여억원의 투자를 Mitzui, MLSCF, Khosla 및 Qiming ventures를 통해 받아, 이러한 기술들을 바탕으로, 뉴질랜드 BlueScope Steel 제철소 부생가스를 이용하여 파일럿 반응기, 중국 상하이의 BaoSteel과 연간 10만 갤런의 에탄올을 생산하는 파트너쉽을 체결한 바 있으며. 최근 대만의 Kaoshiung에서 China Steel Corp과 공동으로 300 ton/day 규모의 상용급 생물학적 가스 전환 공정 건설을 시작하는 등 사업의 범위를 전 세계로 확장하는 중이다.

   최근 LanzaTech은 이산화탄소로부터 바이오에탄올 외에 아세톤, 아이소프로판올(IPA)을 생산할 수 있는 생체촉매를 개발한 바 있는데, 이러한 촉매개발 과정에 바로 합성생물학이 있었다. LanzaTech은 Agile Biofoundry와의 협업을 통해 전 세계 최초로 혐기성 바이오파운드리(biofoundry)를 구축하였고, 이를 바탕으로 혐기성 미생물인 아세토젠 미생물의 

개량화에 성공 등 생물전환 CCU 기술의 가장 선두에 있는 그룹이다. 아쉽게도 아직 국내에서는 아세토젠 미생물을 활용하여 상업화에 성공한 기업은 없지만, 아세토젠 미생물 연구 수준은 세계 선두그룹과 큰 역량 차이를 보이지 않기에, 상업화나 공정 부분에서의 기술성숙도를 끌어올려야할 것으로 보인다.

4) 기타 생물학적 CCU 활용 기술

   지금까지 소개한 미세조류, 메탄영양세균, 아세토젠 미생물들 모두 생물전환 CCU의 생체촉매로 매우 각광을 받고 있지만, 유전자 개량이 어렵다는 공통점을 가지고 있다. 이러한 문제로 이들을 직접 활용하기 보다는 기존 모델 미생물을 활용하여 이산화탄소, 개미산 또는 메탄올과 같은 C1 기질을 활용할 수 있도록 미생물을 개량하는 연구들이 많이 수행 중이다15). 특히, 독일 Max Planck Institute의 Arren bar-even 연구진들은 대장균 및 yeast를 활용하여 이산화탄소, 메탄올, 개미산와 같은 C1 기질을 모두 활용하여 바이오매스를 높일 수 있는 미생물 개량에 성공하였으며16), 17), 이러한 아이디어를 바탕으로 Solar Food 라는 회사에서는 이산화탄소를 고정하여 얻은 바이오매스를 식량 및 사료로 활용하는

상업화에 성공하였다(그림 9)18).

그림 9. 빛에너지활용 이산화탄소 유래 식량 및 사료 생산.

   최근에는 시스템생물학, 무세포 발현 시스템 등의 기술을 활용하여 이산화탄소를 고정할 수 있는 다양한 인공 대사회로를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 독일 Max Planck Institute의 Tobias Erb 연구진은 자연계에 존재하지 않는 새로운 CO2 고정 대사회로인 Crotonyl-CoA/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA (CETCH) 회로를 개발하였으며19), 이를 엽록체 내 광합성 시스템과 결합하여 작동시켰다20). 이 연구팀은 최근에도 무세포 시스템을 기반으로 한 또 다른 인공 대사회로인 reductive tricarboxylic acid branch/4-hydroxybutyryl-CoA/ethylmalonyl-CoA/acetyl-CoA (THETA) 회로를 구축하여 이산화탄소를 세포 내에서 고정 및 활용하는 연구들을 성공한 바 있다21), 22), 23), 24). 비슷한 시기, 중국에서도 CO2의 전기적 전환으로 얻은 포름산과 메탄올을 이용해 전분을 합성할 수 있는 인공 대사회로인 Artificial Starch Anabolic Pathway (ASAP)를 개발하여, 약 1.6 g/L의 전분을 생산하는 데 성공했다26).

   이러한 기술들은 생물학 데이터베이스에 축적된 효소의 서열, 반응정도 등을 바탕으로 computational prediction, AI등을 통해 기존 성능을 뛰어넘는 인공 대사회로를 단시간 내에 빠르게 설계할 수 있고, 이러한 대사회로를 세포 내 도입할 경우, 기존 야생형 미생물로는 달성하기 어렵던 생체촉매의 성능을 극대화할 수 있는 가능성을 보여줄 수 있음을시사한다.

   실제로, 앞서 아세토젠 상업화에 성공한 LanzaTech 역시 omics, in silico 모델 등 시스템생물학 도구와 혐기성 바이오파운드리 자동화 장비를 활용한 in vitro Prototyping and Rapid Optimization of Biosynthetic Enzymes (iPROBE) 시스템을 구축하여 아세톤 및 아이소프로판올(IPA) 생합성 회로를 구성할 수 있는 수만 가지의 효소 조합을 고속 대량 스크리닝하여, 인공대사회로를 구축하였고, 이를 Clostridium autoethanogenum이라는 아세토젠 미생물에 도입했다. 그 결과, pilot-scale에서 3 g/L/h의 IPA 생산성과 90%의 선택성을 달성하는 데 성공하는 등 기존 ethanol의 상업화 이 후, 탄소 3개 알코올의 상업화에도 성공하였다26), 27).

3. 결론

   이처럼 시스템생물학, 합성생물학, AI, 무세포 시스템 등의 첨단 기술이 도입되면서 미생물의 성능을 극대화하고, 기존 자연계에서는 불가능했던 인공 대사회로의 설계와 구현이 가능해졌다. 이러한 기술 발전은 이산화탄소를 효과적으로 고정하고 다양한 고부가가치 제품을 생산하는 생물학적 CCU 기술의 혁신을 이끌 것이다. LanzaTech과 같은 사례는 이러한 기술이 실제 상업화 단계에서도 성공을 거둘 수 있음을 입증하며, 향후 이산화탄소 저감과 자원 활용의 핵심 기술로 자리 잡을 가능성을 보여주고 있다. 따라서 이러한 연구와 기술 개발은 지속 가능한 미래를 위한 중요한 발걸음이 될 것이며, 이산화탄소 문제 해결에 있어 새로운 돌파구를 제공할 것이라 기대한다.

참고문헌

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