응용화학공학부 김중래 교수팀은 한국-스웨덴 간 공동연구를 통해 이산화탄소를 폴리하이드록시부티레이트(polyhydroxybutyrate, PHB)와 같은 고분자화합물로 전환할 수 있는 미생물전기합성셀과 광합성균 로도박터 스페로이드(Rhodobacter sphaeroides)의 새로운 대사경로를 밝혀냈다.

※ 전기합성셀(전기화학셀): 전기화학반응이 일어나는 장치(전극+전해질).

온실가스로 지목되고 있는 이산화탄소(CO₂)는 가장 산화된 형태의 탄소분자로서, 안정적인 분자구조로 인해 화학적·생물학적 전환이 용이하지 않다. 기존 연구를 통해 CO₂를 CO나 포름산 등 탄소(C) 원자가 1개인 C1 케미컬로 전환하는 연구는 활발히 이뤄지고 있으나, C2 이상의 휘발산이나 고분자물질로 전환하는 공정 개발은 전환촉매의 불안정성과 피독현상(극소량의 반응 생성물과 부산물에 의해 촉매의 활성이 현저히 감소되는 현상) 때문에 실용화가 어려운 실정이다.

※ C2 이상의 케미컬: 탄소 원자가 2개 이상인 고분자물질은 다양한 형태로 산업과 일상생활에 사용된다. 폴리에틸렌(Polyethylene)-비닐봉투, 플라스틱병 등, 폴리스티렌(Polystyrene)-컵, 단추 등, 폴리프로필렌(Polypropylene)-음식포장용기 등이 모두 C2 이상의 고분자 물질이다.

연구팀은 이를 해결하고자 스스로 자기복제가 가능한 미생물촉매인 로도박터 스페로이드와 신재생 전기에너지를 환원력으로 사용하는 미생물전기합성셀을 통해 CO₂로부터 PHB를 합성했다. CO₂를 원료로 휘발산, 고분자 등 유용물질을 생산하는 미생물전기합성셀은 대표적인 탄소 네거티브* 기술로 최근 주목을 받고 있다.

* 탄소 네거티브(Carbon Negative): 이산화탄소 배출량보다 흡수량이 더 많은 기술개발을 통해 ‘제로’가 아닌 ‘마이너스’를 만들겠다는 개념.

공정운전에 따라 촉매의 성능이 감소하는 기존 화학 촉매와 달리, 미생물 촉매는 스스로 성장이 가능해 촉매의 안정성과 재사용성이 획기적으로 향상됐다. 또한 연구를 통해 CO₂로부터 PHB 외에 카로테노이드 등 색소나 프로테인(단백질) 합성 가능성도 확인했다.
미래 에너지 플랫폼이 신재생 및 원자력 기반 전기에너지로 통합될 것으로 전망되는 가운데, 풍부한 전기에너지를 환원력으로 사용해 각종 화학물질과 식량을 생산하는 Power to Product(P2P) 연구가 필수로 대두되고 있다. 이번 연구는 신재생 전기에너지를 활용해 대기 중의 CO₂를 석유화학 리파이너리(Refinery, 정제)를 대체하는 유용물질로 전환하는 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구실지원사업 및 중견연구자지원사업, 한-스웨덴 국제공동연구사업의 지원을 받아 부산대 응용화학공학부 수웨이 리(Shuwei Li) 박사과정생이 제1저자, 김중래 교수가 교신저자로 진행했으며, 스웨덴 찰머스 공과대학, 한국에너지기술연구원, 한국해양과학기술원이 공동으로 수행했다. 해당 논문은 화학공학분야 저명한 국제 학술지 『Chemical Engineering Journal』 8월호에 게재됐다.

- 논문 제목: Electron uptake from solid electrodes promotes the more efficient conversion of CO₂ to polyhydroxybutyrate by using Rhodobacter sphaeroides(온실가스인 CO₂를 생분해성플라스틱 원료인 polyhydroxybutyrate(PHB)로 전환하는 미생물전기합성셀)
- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143785

* 인물 사진: 왼쪽부터 김중래 교수와 수웨이 리(Shuwei Li) 박사과정생

[Abstract]

Microbial electrosynthesis (MES) is a promising strategy for the conversion of CO₂ to useful chemicals. Nevertheless, the characteristics of electrode-associated cells in MES and their metabolic pathway regulation in CO₂ fixation have not been elucidated. This study examined the electrode-driven polyhydroxybutyrate (PHB) production from CO₂ in Rhodobacter sphaeroides. The electron uptake and regulation of the metabolic pathways differed in electrode-associated and suspended R. sphaeroides. The electrode-associated cells produced PHB at concentrations up to 23.50 ± 2.8% of the dry cell weight (DCW), whereas the suspended cells grew faster but with a lower cellular PHB content. Gene expression analyses showed that phaA expression was upregulated in electrode-associated R. sphaeroides, whereas phaB expression was downregulated in suspended cells. The electrode-associated cells expressed unconventional CO₂ fixation enzymes, such as isocitrate dehydrogenase and formate dehydrogenase, with more PHB synthesis. These results show that CO₂ can be upcycled to polymeric substances and provide novel insights into the genetic regulation of electrode-associated cells in MES.


* Reference
- First author: Shuwei Li (School of Chemical Engineering, Pusan National University)
- Corresponding author: Prof. Jung Rae Kim (School of Chemical Engineering, Pusan National University)
- Title of original paper: Electron uptake from solid electrodes promotes the more efficient conversion of CO₂ to polyhydroxybutyrate by using Rhodobacter sphaeroides
- Journal: Chemical Engineering Journal
- DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143785
- Bioenergy & Bioprocess Engineering Lab https://bioenergy.pusan.ac.kr/bioenergy/index..do