(2010-07-07) 시아노박테리아(cyanobacteria)는 현존 생명체 중 가장 오래된 형태의 중 하나로서 현재 우리가 호흡하는 대기 중의 산소를 만들어내고 있다. 이번에 아리조나주립대학 Biodesign Institute의 Hyun Woo Kim과 Raveender Vannela는 바이오 연료와 바이오 소재의 원천으로 기대되는 이 미생물을 배양하여 대량 증식시키는 방법을 연구하고 있다. 이번 연구는 광생물반응기(photobioreactor: PBR)로 불리는 광합성 생명체를 증식시키는 장치를 최적화시키는데 핵심적인 기반을 제공해 줄 것이다. 지금까지는 옥수수 에탄올에서 스위치글래스나 여러 다른 종의 조류(algae)까지 다양한 후보들이 해로운 화석연료를 대체할 대안으로 고려되었으며, 이 중에서 시아노박테리아는 특히 매력적인 대안으로 고려되고 있다. Kim 박사는 “이들에 대한 많은 정보를 갖고 있어 시아노박테리아는 리엔지니어링이 용이하다. 우리는 이들이 바이오 연료나 바이오 소재를 대량으로 생산할 수 있도록 조절할 수 있다.”라고 밝혔다.
이번 새로운 연구결과는 시아노박테리아 증식의 최적화를 위하여 이산화탄소, 인, 충분한 햇빛이 PBR 내부에서 정밀한 상호작용이 필요함을 가리키고 있다. 연구팀의 기초 조사는 대규모 바이오연료 생산에 필수적인 PBR 내부의 시아노박테리아 증식을 제한할 수 있는 요소들을 평가하기 위한 정량적 도구도 제공하고 있다. 이번 연구결과는 ‘Biotechnology and Bioengineering’에 발표되었다. 광합성 시아노박테리아는 다른 바이오 연료 작물들과 비교하여 1 에이커 당 청정에너지 생산량이 약 100배 이상이라고 한다. 더하여 햇빛, 물, 이산화탄소, 미량의 영양분만 있으면 번식할 수 있고 식량을 생산한 정도의 비옥한 토지는 필요 없다고 한다. 오히려 시아노박테리아는 건물 옥상에 설치된 PBR이나 충분한 양의 햇빛과 이산화탄소가 제공되는 곳에서 잘 증식할 수 있다고 한다. Vannela 박사는 “PBR은 햇빛을 에너지로 이용하여 이산화탄소를 바이오매스(biomass), 단백질, 지질, 그리고 탄수화물과 같은 것들로 변환시킨다. PBR은 태양 에너지를 이용하여 인간 사회를 위해 매우 유용한 형태의 에너지로 변환시키는 생물학적 반응기이다.”라고 설명했다.
시아노박테리아는 대량 증식하기 때문에 많은 양의 바이오매스를 생산할 수 있으며 상당히 넓은 범위의 온도, 염도, pH 조건에도 번성할 수 있다. 시아노박테리아는 지질로부터 추출되는 바이오연료 뿐만 아니라 바이오폴리머나 이소프렌(isoprene)과 같은 산업용 재료에 이용한 화학물질도 생산할 수 있다. 광합성 미생물들은 항암효과를 갖는 지방산이나 베타카로틴과 같은 항산화제를 생산할 수 있기 때문에 현재 성장하고 있는 기능건강식품 시장에서도 중요한 역할을 한다.
이번 시험에서 연구팀은 시네코시스티스(Synechocystis) PC6803이라는 시아노박테리아를 실험실의 PBR에서 BG-11로 알려진 미세조류 배양용 배지를 공급하여 증식시켰다. 배양 시험에서는 이산화탄소, 햇빛, 인의 3가지 기본 변수를 바꾸었을 때 시아노박테리아의 증식에 어떤 결과가 발생하는지를 조사하였다. Kim 박사는 “이번 연구에서는 인이 중요한 요소라는 것을 확인했다.”고 강조했다. 실제로 BG-11 배지에 인을 첨가하기 전 까지 시아노박테리아는 이산화탄소를 효율적인 사용하지 못했다고 한다. 즉 인의 첨가를 통한 증식 활성화는 바이오매스 생산성을 높이는 결과를 초래했다. 이번에 인의 한계를 극복하자 햇빛과 이산화탄소가 시아노박테리아 증식의 제한 요소가 되었다. 인은 지금까지는 주로 호수나 담수의 부영양화 문제라는 관점에서 연구되어 왔는데 이번에는 PBR에서 시아노박테리아의 증식을 조절하는데 매우 중요한 것으로 입증되었다. 이번 실험에서 연구팀은 햇빛에 의해 만들어진 자연적인 일광 및 이산화탄소와 인의 농도도 미세하지만 주의 깊게 조절하였다.
모든 필수 영양분들이 제공되었을 때에는 햇빛이 제한요소인 것으로 나타났다. 즉, PBR에서 시아노박테리아가 증식하면 내부의 바이오매스가 늘어나면서 빛의 유입이 어려워지는 것이다. 그러나 이 문제는 PBR에서 바이오매스를 주기적으로 수확함으로써 쉽게 해결할 수 있다. 연구팀의 연구는 앞서 언급한 여러 가지 요소들의 양을 조절하는 데에서 출발하였으며, 이러한 양의 조절은 영양분, 이산화탄소, 일광 등의 요소의 최적화를 달성하기 위함이다. 연구팀은 이산화탄소와 인이 포함된 영양분들을 PBR에 있는 시아노박테리아에 투입하여 이용할 수 있기 때문에 폐기물 유출수나 증식된 바이오매스를 영양원으로 재활용될 수 있으며 발전소에서 생산된 과잉 이산화탄소도 미생물의 호흡조건을 충족할 수 있다고 지적했다. 따라서 영양원 순환의 폐쇄 회로(closed loop)가 형성될 수 있으며, 그 결과로 물의 오염과 현재 온실효과의 주범이 되고 있는 이산화탄소로부터 유용한 에너지를 생성할 수 있게 된다고 강조했다.
이번 연구는 바이오 연료와 바이오 소재를 상업적 규모로 생산 가능하게 하기 위한 광범위하면서 다양한 시도 중 하나라고 할 수 있다. 이러한 연구는 환경 파괴적 연료인 화석연료를 대체할 수 있는 연료를 발견해야만 하는 현재 우리 사회의 문제점을 해결할 수 있는 연구라 할 수 있으며, 실제 그러한 방법을 찾기 위해 노력하고 있다.
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