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서라 원
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1 KCGRC APRIL NEWS C1 가스 리파이너리 사업단 월간 뉴스레터 Vol. 1-4 C1 KCGRC

2 사업단 소식 5월 19~20일 화학 촉매 및 리파이너리 총괄과제 Workshop 장소: 서강대학교 다산(D)관 101호 시간: AM 10:00 ~ PM 18:00 5월 23~24일 바이오 촉매 및 리파이너리 총괄과제 Workshop 장소: 서강대학교 다산(D)관 101호 시간: AM 10:00 ~ PM 18:00 4월 20 ~ 22일 2016 한국생물공학회 춘계학술발표대회 및 국제심포지엄 에서 사업단 운영 전략 및 연구 개발 내용에 대해 소개하는 자리를 마련 하였다. 1 2

3 연구실 소개 전북대학교 이승재 교수님 연구실 주요 연구내용 소개 연구실 개요 현재까지 밝혀진 단백질 중 약 40% 가량이 금속 이온을 포함하고 있으며, 효소 1. C-H 활성 주요 메커니즘 연구 수용성 메탄 모노옥시제나아제의 경우 단백질이 산소 분자 및 탄화수소를 기질로 사용시 매우 빠른 물리/화학적 변화를 보여, 히드록실아제 내에 존재하는 Fe(II)-Fe(II) 내 활성부위에서 구조적 또는 기능적으로 매우 중요한 역할을 수행하고 있다. 본 생물 화학 (Chemical biology) 실험실에서는 학문적 경제적인 가치가 매우 높은 메탄 (CH 4 ) 가스의 메탄올 (CH 3 OH) 로의 산화에 대한 연구를 미생물 내의 단백질에 초점을 맞추어 연구를 진행하고 있다. 생태계 내의 메탄 가스 균형은 미생물인 메탄균 (Methanotropic bacteria, Methanotrophs)에 의해 메탄올로 전환됨으로써 이뤄지는데, 이중 수용성 메탄모노옥시제나제 (Soluble methane monooxygenases)의 기작을 밝히려는 연구를 상태에의 이철 금속 이온은 높은 산화 상태인 Fe(IV)-Fe(IV)의 형태 (Q 중간체)로 변환되어 메탄의 산화를 이루어 내는데, 이는 조효소의 결합으로 가능한 상태를 이루어 낸다. 급속 냉각 분리 장치(rapid freeze quench, RFQ)를 이용하여 수용성 메탄 모노옥시게나제로부터 Q 중간체를 분리해 냄으로써, 산화에 필요한 반응 부위의 C-H 활성 메커니즘을 밝혀내기 위한 연구를 진행하고 있다. 이러한 연구를 토대로 금속 이온과 아미노산과의 배위 결합을 인위적으로 묘사할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 진행하고 있다. 수용성 메탄 모노옥시제나제는 구리 이온이 배제된 상태에서 발현되는데, 지난 30여년 동안 매우 활발히 연구가 진행되었으나, 히드록실아제 (hydroxylase), 조절 효소 (regulatory component) 및 환원 효소 (reductase)의 조합으로 이루어져 원자 수준의 이해가 매우 복잡한 상황이다. 또한, 산소 분자 (O 2 ), 탄화 수소 (hydrocarbons), 전자 (electrons), 및 양성자 (protons)를 포함하는 복잡한 기질의 정확한 반응 매커니즘을 이해하여 효소 활성을 응용 및 극대화 시키려는 본 실험실의 연구는 학문적인 중요성을 내재하고 있다. 3 4

4 2. 단백질 구조 연구를 통한 효소의 최적화 연구 균주에서 발현되는 수용성 메탄 모노옥시게나제를 분리 정제하여 얻게 된 단백질 을 결정화시키기 위한 연구가 진행 중이다. 메탄 모노옥시제나아제 연구에 있어서 히드록실아제 -조효소-환원 효소의 결합의 구조적 특성 파악이 매우 중요한데, 현재까지는 매우 제한적인 연구가 이루어져 있으며, 전북대학교 생명 과학부 박정희 교수님의 구조 생물학 연구팀과 공동 연구를 진행 중에 있다. 특히, X-선 결정학을 이용하여 안정적인 전자 전달 방법을 묘사하기 위한 산화 효소와 환원 효소의 결합을 밝혀내려 한다. 이와 함께 분광학적인 3. 재조합 단백질을 이용한 활성 극대화 앞서 언급한 기초 연구에서 밝혀진 구조적/기능적 내용들을 대장균 또는 자연 균에 적응하여 응용화에 이르게 하는 연구가 진행 중이다. 보조 효소와 환원 효소의 결합에 따른 활성 증대에 관련된 효소는 단백질 공학적으로 기질에 따른 최적의 효소 특이 활성을 보일 수 있게, 변이를 시도하여 이를 기술적으로 응용하려 한다. 또한, 단백질의 구조를 결정짓는 구조 결정 (chaperon) 단백질의 활성을 변화시켜 이종 균주로 효과적인 변환을 이루는 분자 생물학 적/생화학적 연구방법을 적용시켜 신규 효소를 발굴하고 디자인하려 한다. 방법을 이용하여 산화-보조-환원 효소의 결합과 분리를 연구하여 이들간의 상호 결합관계를 이해함으로써 신규 효소의 기본 골격을 디자인 하려 한다. 하단의 그림은 MMOH에 조효소가 결합하여 활성 부위 아미노산 잔기의 구조적 변화로부터 화학 반응의 변화를 표현하였다 (Nature (2013), 494, ). 4. 신규 메탄 균주의 활용 지금까지 MMO의 경우 Methylococcus capsulatus (Bath) 또는 Methylosinus trichosporium OB3b으로 그 생화학적 연구가 진행되어 왔다. 언급한 균주가 아닌 최근에 발견된 신규 메탄균과 아직 연구가 미미한 균주들을 배양하기 위한 시스템을 구축 하고, 효소 단백질의 발현 및 정제가 가능한 기반을 마련하였다. 이를 통해 효소 단백질에 대해 구조적/기능적 연구를 진행하고 이를 기존의 연구 자료들과 비교 분석함과 동시에 이종간의 효소 단위체를 조합함으로써 최적화된 신규 효소를 발굴하고 디자인하려 한다. 이와 같은 연구를 토대로 단백질 변이와 함께 효소의 활성을 극대화 시킬 수 있는 조건을 파악할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 5 6

5 연구실 현황 본 연구실은 최근 미래 창조 과학부의 C1 가스 리파이너리 사업에 참여하게 되어, 구조 연구실 소개 아주대학교 박은덕 교수님 연구실 기반 MMO 재설계 기술 개발 과제를 수행 중에 있다. 전북대학교 생물 화학 실험실에서의 균주 배양 및 메커니즘 연구와 더불어 금속 단백질의 구조적 연구를 수행하기 위하여 전북대학교 생물 공학부의 박정희 교수 연구팀 및 기초과학 지원 연구원 김선희 박사님과 함께 연구를 진행하고 연구실 개요 청정화학공정 연구실 (Green Chemical Processing Laboratory)은 균질계 있다. 박사 급 연구원 2명과 박사과정 2명 석사과정 5명 및 연구원 3명으로 구성되어 있는 본 연구실에서는 자연계에 존재하는 메탄균 내 효소의 메커니즘을 구조적/기능적 특성 파악을 위한 연구를 진행 중에 있으며, 효소 활성에 직접적인 정보를 제공하는 활성 부위의 중간체 정보 파악을 위하여 생물리 화학적 연구를 동시에 진행하고 있다. 본 과제의 최종적인 연구 목표는 자연계 존재하는 단백질의 특성을 파악하여, 화학 및 생물학적인 이용 가치를 높일 수 있는 기초 정보를 제공하여 바이오 에너지 및 환경 정화에 응용할 수 있는 효소 설계에 기초 자료를 제공함에 있다. 및 비균질계 촉매를 이용하여 녹색 화학 (Green Chemistry)를 구현할 수 있는 화학 공정을 개발하는 것을 목표로 2004년에 출범하였다. 현재까지 진행한 주요 연구 과제는 아래와 같다. 주요 연구내용 소개 C1 화학관련 기술개발 - Fischer-Tropsch 합성용 반응기의 설계 및 최적화 - Fischer-Tropsch 합성용 마이크로 반응 시스템 촉매 개발 및 반응기 수학적 모델 개발 - Fischer-Tropsch 합성유 개선 촉매 공정 개발 - Sour Gas용 직접 메탄화 촉매 개발 연료전지용 수소 제조관련 기술개발 - 도시가스내의 유기 황화합물의 흡착 제거에 관한 연구개발 - LPG 저온개질 반응 실험 - 초저온 시프트 촉매에 관한 연구개발 7 8

6 - 촉매 산화를 통한 선택적인 일산화탄소의 제거 - 저가 장수명 열교환 일체형 연료개질 기술 - 저온 작동 경량 연료 개질기 연구 현재 수행중인 C1 가스 리파이너리 사업단 과제 현재 화학 촉매 총괄 과제를 담당하고 있으며 세부 과제로는 고선택성 메탄 친환경 촉매 공정 개발 - DPC (Diphenyl Carbonate) 제조용 촉매 개선 연구 - POA촉매 분석에 대한 연구 - 글리세롤로부터 아크롤레인을 제조하는 고활성 촉매 개발 - 글리세린으로부터 아크롤레인을 제조하기 위한 고선택/고수명 촉매 개발 - 내열성이 개선된 저온 연소 촉매 개발 산화체 제조용 비균질계 촉매 개발 를 수행 중이다. 본 과제는 메탄올, 포름알데히드, 포름산 등과 같은 메탄 산화체를 산소를 포함한 친환경 산화제를 이용하여 메탄으로부터 직접 제조하기 위한 비균질계 촉매 개발 및 이를 이용한 공정 개발을 주요 내용으로 하고 있다. 기존의 메탄 산화체 생산공정이 메탄의 고온 개질 반응을 통한 합성 가스 제조 공정을 포함하는데 비하여 본 과제에서 제안하는 직접 전환 공정은 저온 반응으로서 고수율 촉매 확보 시 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 기대된다 [그림 1]. - 탈질용 분말 촉매 성능개선 연구 - 백필터 순환용 배연탈질용 분말 촉매 상용화 연구 - CO 2 고온, 고압 흡착 실험 - 사출기 부품 세정용 유동층 세정로의 배기가스 촉매 정화장치 기술개발 바이오매스의 촉매적 전환 기술 개발 - 작물계 원료로부터 푸르푸랄을 생산하는 신공정 개발 - 펜토산으로부터 푸르푸랄을 제조하는 촉매 공정 개발 - 셀룰로스로부터 폴리올 제조공정 개발 - 수상 개질 반응을 이용한 저급 폴리올의 고부가화 기술개발 - 바이오매스로부터 Fischer-Tropsch 합성원유 생산/이용 기술 개발 [그림 1] 메탄 산화체 제조 공정의 비교 9 10

7 이를 위하여 [그림 2]와 같이 각 분야의 연구 전문가로 공동 연구진을 구성하여 연구를 수행하고 있다. 공동연구자들은 다음의 분야에 전문가들로서 상호간의 시너지 효과를 최대로 이끌어 낼 수 있다. - 다공성 구조체 합성 (김상욱, 안광진, 안화승) - 균질계 촉매의 비균질화 기술 (김상욱) - 선택적인 메탄 산화반응 (박은덕, 안광진) - 플라즈마에 기반한 메탄 활성화 (김유권) - X-선 회절 분석에 기반한 재료 분석 (김승주) 본 세부 과제는 총괄 과제가 따로 없는 현 사업단 시스템내에서 C1 화학 촉매 총괄의 성격을 같이 갖고 있으며 따라서 화학 촉매의 주요 연구 분야인 균질계 촉매와 비균질계 촉매 그리고 신개념의 촉매 과제를 지원하는 역할을 수행함으로써 사업단에 부수적으로 기여하고자 한다 [그림 3]. 총괄 과제내의 균질계 촉매와 관련된 과제들은 C1 바이오 촉매와 긴밀히 교류하여 시너지 효과를 창출할 수 있도록 지속적으로 기회를 제공할 예정이며 비균질계 촉매를 기반으로 하는 타 세부 과제에는 촉매 소재와 분석 지원을 통하여 연구의 수월성을 높이는(?) 기여하고자 한다. 또한 신규 기술에 대한 지속적인 모니터링을 통하여 새로운 개념의 촉매 전환 기술을 타 세부 과제에 소개하는 역할을 담당하고자 한다. - 방사광 가속기를 이용한 재료 분석 (최선희, 김승주) - Metal organic framework 합성 및 분석 (안화승) - 광화학반응을 이용한 메탄 활성화 및 전환 (김승주) [그림 2] 세부과제 참여 연구원 및 주요 역할 11 [그림 3] 본 세부과제의 사업단내 역할 12

8 뉴스 KIOST, 기존대비 5배 우수한 바이오수소 생산 균주 개발 수소생산 효율이 5배 이상 좋은 바이오수소 생산 균주가 개발됐다. 한국해양과학기술원(KIOST 원장 홍기훈)은 강성균 책임연구원 연구팀이 고부가가치 바이오 수소 생산 균주를 개발했다고 11일 밝혔다. 연구진은 해양 심해열수구에서 서식하는 고세균 `NA1`(써모코서스 온누리누스NA1)의 일산화탄소 적응 현상을 활용해 바이오수소를 생산하는 균주 `156T`를 개발했다. 80도에서 가장 잘 크는 초고온 고세균 분야에서 바이오 수소 생산 균주를 개발한 것은 세계 KIOST가 바이오수소 생산 균주 개발에 활용한 고세균 써모코서스 온누리누스 NA1. 최초다. 156T는 NA1이 세대를 거듭할수록 수소 생산 속도가 점점 빨라지는 현상을 활용해 산업부생가스에서 바이오수소를 생산한다. 156T는 산업체에서 발생하는 순도가 낮은 부생 가스를 전처리 과정 없이 원료로 바로 사용할 수 있어 일산화탄소의 고부가가치 활용 방안으로 주목을 받고 있다. 연구진은 향후 산업현장에서 발생하는 저순도 산업부생가스를 이용하는 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 예상했다. 이 연구는 해양수산부 `해양 고세균 이용 바이오수소생산 실용화 기술 개발` 사업 일환으로 진행됐다. 연구결과는 사이언티픽 리포트 2월호에 게재됐다. 한국해양과학기술원이 구축한 바이오수소 생산 균주 실증 시설. 강성균 책임연구원은 바이오 수소 생산 원료물질이 제공되는 산업현장에 테스트베드를 구축하고 장기연속 생산시설을 시범 운영할 계획 이라며 바이오수소 실용화기술을 지속 개발해 전자신문 ( 나갈 것 이라고 말했다. 박희범 과학기술 전문기자 13 14

9 국외 학회 일정 수소 일산화탄소 섞은 혼합가스에서 가솔린 디젤 합성 기술 개발 수소와 일산화탄소가 섞인 혼합가스에서 가솔린 디젤 같은 액체연료를 생산 하는 핵심 기술이 개발됐다. 한국연구재단은 배종욱 성균관대 교수 팀이 이 혼합 가스로, 액체 연료 생산 시 필요한 촉매를 새로 개발했다고 11일 밝혔다. 수소와 일산화탄소에 촉매를 넣고 200~350도의 고온과 대기압 10~30배의 높은 압력을 가하면 디젤과 가솔린의 원료인 탄화수소가 나온다. 이 공정의 이름은 피셔-트롭쉬 합성 공정 이다. 연구팀은 촉매 개발을 위해 코발트를 이용했다. 서로 얽혀있는 듯한 형태의 코발트를 만든 뒤 지르코늄 알루미늄을 넣어 촉매를 만들었다. 연구팀이 실제 공정에 이 촉매를 이용하자 탄화 수소가 촉매에 쌓이지 않고 잘 빠져나와 화학반응을 하는 등 촉매의 구조는 계속 유지됐다. Shale UK 날짜: 장소: Kings Dock, Liverpool Waterfront, L3 4FP SHALE INSIGHT 2016 날짜: 장소: PITTSBURGH, PA, USA 배 교수는 이번 연구에 대해 온실가스 등의 탄소 자원을 활용할 수 있는 기술이 될 것 이라고 말했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 케미컬 커뮤니케이션즈 (Chemical Communications) 4일 온라인 판에 실렸다. 브릿지경제 ( Asia Pacific Oil & Gas Conference and Exhibition 날짜: 장소: Perth, Australia html?redirected_via=/events/apogce/2016/pages/about/ 이해린 기자 15 16

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<30322DB1E2C8B9C6AFC1FD28C0CCBDC2C0E729382D31362E687770> 생체시스템에서탄화수소의촉매적산화 이승재전북대학교자연과학대학화학과 Catalytic Oxidation of Hydrocarbons in Biological Systems Seung Jae Lee Department of Chemistry, Chonbuk National University, Jeonju, Jeonbuk 561-756, Korea Abstract: