< 붙임 양식1 >

산업폐가스를 화학원료로 만드는 효소 개발

고효율/고안정성 독성 일산화탄소 전환 효소 개발

지원사업		C1가스리파이너리사업/선도연구센터(ERC)사업
과제명		Non-acetogen 기반 CO 가스 이용 바이오폴리머 생산용 바이오촉매 및 원천기술
연구자		김용환 (울산과학기술원)
성과	구분
	논문제목/ 저널명	O2-tolerant CO dehydrogenase via tunnel redesign for the removal of CO from industrial flue gas/Nature Catalysis
성과요약		자연계에 존재하는 모든 산소민감형 CODH에서 공통적으로 가진 산소전달 핵심부위 (substrate bottleneck)를 발견하여 이들 효소 촉매의 3D 입체구조 결정으로 산소취약성에 대한 메커니즘을 세계 최초로 규명함.
연구를 시작한 계기나 배경은?		연구재단의 C1가스리파이너리사업과 선도연구센터사업의 지원을 통해 국내 제철산업 환경에서의 폐탄소가스자원을 어떻게 하면 과학적으로 세련되게 버릴 수 있을까하는 질문의 답을 찾는 과정으로 이 연구가 시작되었습니다.
기존 지식/기술과 어떻게 차별화되나? (성과의 차별성)		1 선진연구 추격		2 선진연구와 경쟁			3 세계최초 구현
		- 자연계에 존재하는 모든 산소민감형 일산화탄소 전환효소에서 공통적으로 가진 산소전달 병목지점을 발견하였으며, 효소분자의 3차원 입체구조 결정으로 산소에 효소가 활성을 잃어가는 기작을 세계 최초로 규명함. - 전처리되지 않은 실제 제철산업에서 배출되는 모든 폐가스를 안정적으로 직접 전환할 수 있는 성능을 확인함.
이번 성과는 어떤 점에서 혁신적인지? (성과의 혁신성)		1 기존의 방법으로 현안 도출, 해결방안 제시	2 기존 지식을 개선하는 발견/발명		3 알려진 방법으로 기존 지식을 근본적으로 개선	4 새로운 원리에 기반한 차세대 지식의 발견/발명		5 완전히 새로운 발견/발명
		실제 폐가스CO를 바로 전처리없이 사용할 수 있는 실용화 상업용 효소개발이라고 할 수 있습니다. 현재 개발된 일산화탄소 전환효소촉매의 학문적 성과 수준과 산업체 성능 요구수준의 격차가 없다는 장점이 있습니다. 또한, 대부분의 기체가스를 전환하는 효소들에서는 저분자 가스의 이동을 내부에서 관찰하기가 매우 힘이 들어 실용화 효소촉매로 개발되는 것이 극히 드문 실정입니다. 이번 성과에서 일산화탄소 이동경로에 대한 가설증명은 일산화탄소 전환효소만이 아니라 여러 가지 가스기체 이용 효소연구의 이해에 도움을 줄 것으로 기대됩니다.
이번 성과의 혜택이나 활용의 수준 (성과의 혜택 및 기대 파급효과)		1 기존에 제공가능한 혜택을 다른 방식으로 제공가능	2 기존에 제공 가능한 혜택보다 향상된 혜택을 제공		3 기존에 제공하지 못한 혜택을 제공	4 수요자의 이목을 끌만한 차별적인 혜택의 향상		5 새로운 지평을 개척할 수 있는 발명/발견
		○ 산소안정성 CODH의 산화반응은 CO2 고정화반응과 쉽게 연계되고 이의 CO수화효소 (CO hydratase) 설계로 실제 부생가스 전환을 위한 상업용 원천기술 및 촉매 확보가 가능하게 됨. ○ CO수화효소 (CO hydratase) 이용을 통한 대량 개미산 생산 공정개발로 상업적 개미산 생산 (부생가스 CO에서 3천만톤 생산 가능, 30조원 부가가치 창출)과 개미산 기반 생분해성 플라스틱 PHB 생산이 가능함. ○ 제철산업환경의 대규모 촉매전환 반응기 운전을 통해 온실 부생가스 저감 및 폐가스 연소처리 해결로 에너지 절약 등 무탄소 배출을 통한 초격차형 신산업 창출이 가능함.
이번 성과가 후속 단계로 발전하기 위해 필요한 과제는? (후속연구 가능성)		현재 개발된 효소촉매를 이용하여 제철현장의 대규모 촉매전환 반응기(10L) 시험운전이 성공적으로 1차 진행되었는데 스케일업 반응기 (30L) 시현 및 향후 대규모 반응운전이 목표로 달성되어 국내 무탄소 배출을 통한 초격차형 신산업 창출에 단초가 되기를 기대함.
연구과정에서 어려웠던 점은 무엇이며 어떻게 극복하였는지?

< 붙임 양식2 >

‘연구내용 설명’작성 양식

* 스토리 작성을 위해 연구내용을 구체적으로 소개해주십시오.(2페이지 내외 권장)

□ 연구배경

- 다양한 폐가스와 갖가지 독성물질이 혼합되어 방출되는 산업 부생가스 중의 일산화탄소는 사전 분리공정에 상당한 비용이 들기에 고순도로 정제하여 다른 용도로 사용하는 것은 경제성이 적으며, 분리정제 없이 활용할 수 있는 기술의 개발이 필요한 상태임.

- 본 연구팀에서는 정제되지 않은 CO 함유 부생가스를 바로 원료로 사용하여, 산업적으로 유용한 화학물질을 생산할 수 있는 일산화탄소 전환효소를 개발하고 이를 대량의 개미산으로 무한정 생산할 수 있는 개미산 산업기술의 활로를 개척함.

- 일반적으로 발견되는 자연형 일산화탄소 전환효소는 아주 빠르게 물질을 생산할 수 있는 생물촉매이나 공기에 매우 취약하여 학문적으로만 의미가 있고 실제 폐가스 등에 적용하는 것은 엄두를 못 내는 상황이었음.

- 본 연구팀에서는 일산화탄소 전환 효소를 인공적으로 분자 재설계하여 공기 및 기타 독성물질이 포함된 산업폐가스를 전환할 수 있는 효소를 개발하였음.

□ 연구내용

○ 자연계에 존재하는 모든 산소민감형 CODH에서 공통적으로 가진 산소전달 핵심부위 (substrate bottleneck)를 발견하여 이들 효소 촉매의 3D 입체구조 결정으로 산소취약성에 대한 메커니즘을 세계 최초로 규명함.

○ 이들 3D 입체구조를 기반으로 분자 재설계된 효소는 선택적으로 산소를 차단하여 안정성이 획기적으로 개선된 상업용 효소로, 전처리되지 않은 실제 제철산업 거의 모든 부생가스 종류에 적용하여 안정적인 CO가스 전환 성능을 확인함.

○ 연구 개발된 산소안정성 CODH는 CO전환뿐만 아니라 CO2 포집(fixation)을 위한 전기화학적 연구분야 및 혐기성 산업 미생물 (예, Lanza tech)의 성능개량 등의 생물촉매 분야 등 다양한 융합 바이오 촉매 원천기술개발로의 응용성도 크게 기대됨.

○ 또한 신개념 CO수화효소 (CO hydratase)로 촉매반응을 확장하여 CO이용 개미산 생산 공정 모델을 제시함. 이는 현재 산업용 저순도 폐가스 CO로부터 개미산 및 바이오폴리머를 경제성 있게 생산하는 기술로 고안되어 최근 현대제철 폐부생가스인 LDG (Linz–Donawitz converter gas) 가스로부터 전처리없이 개미산 고농도, 고생산성이 현장 반응기 운전으로 실증에 성공함.

□ 기대효과

○ 산소안정성 CODH의 산화반응은 CO2 고정화반응과 쉽게 연계되고 이의 CO수화효소 (CO hydratase) 설계로 실제 부생가스 전환을 위한 상업용 원천기술 및 촉매 확보가 가능하게 됨.

○ CO수화효소 (CO hydratase) 이용을 통한 대량 개미산 생산 공정개발로 상업적 개미산 생산 (부생가스 CO에서 3천만톤 생산 가능, 30조원 부가가치 창출)과 개미산 기반 생분해성 플라스틱 PHB 생산이 가능함.

○ 제철산업환경의 대규모 촉매전환 반응기 운전을 통해 온실 부생가스 저감 및 폐가스 연소처리 해결로 에너지 절약 등 무탄소 배출을 통한 초격차형 신산업 창출이 가능함.