작은 초능력자가 만드는 바이오수소 : 심해 미생물 연구 이야기 - 미래를 꿈꾸는 해양문고 시리즈 35

강성균,이현숙,이정현

저자:강성균
서울대학교미생물학과에서학사학위를받았고,같은대학대학원에서미생물학석사와박사학위를받았다.2004년부터한국해양연구원(현한국해양과학기술원)에근무하면서심해열수구극한미생물의대사기작규명과바이오소재·바이오수소생산등생명공학연구에전념하고있다.

저자:이현숙
서울대학교미생물학과에서미생물에대한공부로학사·석사·박사학위를받았다.현재한국해양과학기술원에근무하면서미생물들을탐구하고그들의‘재능’을개발하는연구를하고있다.또한과학기술연합대학원대학교전임교수로서대학원생들이미생물을잘연구하도록돕고있다.

저자:이정현
서울대학교미생물학과에서학사와석사학위를받고한국생명공학연구원에서연구경력이후,서울대학교대학원에서박사학위를받았다.미국럿거스대학교박사후연구원을거쳐1997년부터한국해양연구원(현한국해양과학기술원)책임연구원으로있으면서해양생물의특이한유전자특성을연구하고있다.

여는글

1장인류와미생물의만남
미생물의정의/인류역사속의미생물

2장별나고독특한극한미생물
미생물의대사/극한미생물/극한미생물에관한세계기록

3장심해열수구미생물
심해환경/심해오아시스,열수구/심해고온성미생물/심해열수구탐사기술/한국의심해열수구미생물연구

4장심해미생물NA1의연구
심해열수구미생물의분리/NA1의유전체분석/NA1의단백질연구

5장인식의틀을바꾼연구
NA1의유전체정보분석/최소에너지이론의상식,그경계를넘다

6장해양바이오수소생산기술개발
수소에너지생산연구/바이오수소생산의원료물질탐구/바이오수소생산미생물의변신일대기/산업현장에서수소생산을실증하다/또다른도전:실용화/바이오수소연구의미래상

닫는글/참고문헌/그림출처

깊은바다밑열수구에서찾은
초고온성미생물의착한변신!

사람의눈으로는볼수없는아주작은생명체,미생물!미생물의크기는흔히마이크로미터(μm)를이용해표기하는데마이크로미터는밀리미터(mm)를1000분의1로나눈크기이다.1마이크로미터보다작은크기부터수백마이크로미터에이르는크기까지다양한생명체들이포함된다.미생물은지구상의어디에서나발견되며,깊은바다에살고있는것들도많다.심지어섭씨400도나되는뜨거운물을분출하는심해열수구에서생존하는극한미생물도있다.‘바다밑의오아시스’라고도불리는열수구는심해저의갈라진틈으로부터내부의마그마에의해뜨거워진물이분출되는곳이다.
2002년,해양탐사선온누리호를이용해남태평양파푸아뉴기니근처1650미터깊이의열수구에서해양과기원소속과학자들이두차례의시도끝에시료를채집하였다.연구팀은곧바로배위에서미생물을분리해배양을시도하고마침내2개의배양용기에서미생물이자라는것을확인하였다.당시거의불가능한일로여겼던심해열수구생물탐사와미생물분리에성공한것이다.분리된미생물가운데하나는기존의종들과는차이가있는신규종으로알려졌고,연구팀은이종에온누리호의이름을따서서모코커스온누리누스(Thermococcusonnurineus)NA1이라명명하였다.NA1은‘새로운고균(NovelArchaea)’이란뜻이다.
NA1은섭씨60~90도의높은온도에서성장이가능하다는특징만으로도연구팀의관심을끌었다.열에견디는효소를만들수있기때문이다.연구팀은NA1의일부유전자를이용해‘DNA중합효소’를개발했다.DNA중합효소란유전자소량을대량으로늘리는데반드시필요한물질로,DNA를복제하기전에온도를올리는단계가있는데이때DNA중합효소가고온에서도활발히움직이며특정DNA조각을대량으로복제한다고한다.
해양과기원은이와관련한원천기술을씨젠,바이오니아등국내생명공학전문기업들에기술이전하여실용화에도성공했다.현재이기업들은해당기술을바탕으로코로나19진단키트를전문적으로생산하거나치료물질개발에매진하고있다.빛이닿지않는캄캄한어둠속심해에서서식하던미생물이전혀다른세상으로옮겨져오히려인간을도우며살아가고있는것이다.


국내원천기술을활용한바이오수소생산으로
미래친환경에너지사회를앞당기다!

NA1이연구팀의관심을끈또다른중요한특징은다양한수소화효소를보유하고있다는사실이었다.수소화효소는수소분자의산화와환원을촉매하는효소로,미생물이수소를생산하거나소모하는기능과연관되어있다고한다.수소는에너지밀도가높아에너지원으로서가치가매우높고,연소시환경오염물질을거의배출하지않으며연료전지를이용하여전기로전환하는것도가능하다.사용후에는다시물로재순환되는환경친화적특성까지갖추고있어미래에너지원으로크게각광받고있다.최근에는수소연료전지자동차가우리나라와일본등의국가에서본격적으로출시되면서수소에너지,수소경제사회에대한세계적관심이더욱커지고있다.
연구팀은NA1이일산화탄소를수소로전환시키는데탁월한능력을가졌음을알아내고경제성측면에서부가가치가높은고순도수소를생산하는공정을개발하여바이오수소를대량생산하고자하였다.곧야생형NA1을일산화탄소가포함된혼합가스에장기간적응시켜수소생산성이높은미생물로개량했고,이를바탕으로유기성폐기물이나일산화탄소를포함하는산업체부생가스를활용해세계최고수준의생산성을가진바이오수소생산실증기술개발에성공했다.특히2016년당진제철소에서부생가스를이용해전세계최초로바이오수소연속생산실증을시도,바이오생산기술이산업현장에적용될수있다는가능성을확인하였다.이제해양과기원의해양바이오수소생산연구는기술실용화에필수적인공정설계방식을구축함으로써‘실용화’라는또다른도전을맞고있다.
NA1연구를주도해온이책의저자들은해양과기원의해양바이오수소연구가잠재력을가진심해미생물과생명공학기술,열정으로연구에전념하는과학자들의합작품임을강조한다.저자들은연구과정을통해마이크로미터크기의작은생명체가지닌잠재력이구체화되어새로운산업으로연결될수있다는가능성을보여주고싶었다고한다.이와관련해공저자인미생물생명공학자이자바이오수소분야전문가인강성균박사는“해양심해미생물의바이오수소생산연구는우리나라해양인프라와연구역량을기반으로이룬성과이기에국내원천기술개발로서큰의미를갖는다.우리가발견한해양미생물의생명현상은극히일부분일뿐,어딘가에있을유용한미생물을발견하고활용하기위해생명의탐구는계속되어야한다.”고말한다.
20여년전,깊은바다밑열수구에서찾은미생물NA1을개량해‘초능력자’로변신시킨해양과기원과학자들의지식과경험이심해미생물의세계에호기심을가진미래의해양과학자들에게도움이되기를바란다.