바이오촉매생물전환반응을통한이산화탄소로부터개미산및유용산물생산 김용환광운대학교화학공학과 Production of Formate and Value-added Chemical from CO 2 through Biotransformation Using Biocatalyst Yong Hwan Kim Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University, Seoul 139-701, Korea Abstract: 최근지구온난화의주원인물질로알려진이산화탄소의양을감축하려는새로운방법을개발하고자하는시도가많이진행되고있다. 기존에널리알려진화학적전환방법외에바이오촉매를이용하여이산화탄소를유용한물질로전환하려는연구또한제안되고있다. 이산화탄소의환원반응은필연적으로외부에서환원에너지가공급되어야하는데바이오촉매를이용할경우거의이론필요량의환원에너지만을이용해서도이산화탄소를환원시킬수있는것으로알려져있다. 또한개미산과같이간단한형태의 C1 화합물을이용해서바이오촉매는좀더복잡한형태의유기화합물 (C n ) 을손쉽게만들어낼수있다는장점이있다. 바이오촉매를이용한이산화탄소전환공정을개발하기위해서는가장먼저우수한특성의바이오촉매를개발하는것이중요하며, 동시에바이오촉매생물전환반응에필요한환원에너지를효과적으로공급할수있는시스템개발역시중요하다. Keywords: CO 2, formate dehydrogenase, CO 2 reductase, formate 1. 서론 1) 이산화탄소는매우안정된화학적성질을가지고있으며동시에산화된상태이므로, 유용한화합물로전환하기위해서는환원반응을통하여환원상태의유기화합물로전환하는것이필요하다. 환원반응을위해서는수소와같은환원제를이용할수도있으며, 전기에너지와수소이온을동시에투입하는방법도존재한다. 최근신재생발전을통하여다량의전기에너지가생산되고있어, 이러한전기에너지를환원력으로이용하여이산화탄소를환원시키는화학반응에대하여최근많은관심이높아지고있다 [1]. 특히신재생에너지를이용하여생산된전기에너지를활용하여이산화탄소를유 저자 (E-mail: metalkim@kw.ac.kr) 용한화합물로전환시킬경우, 유용화합물획득외에전기에너지를이산화탄소유래화합물에저장하여필요시이용할수있다는추가적인장점도있다. 그러나이산화탄소를전기로환원시킬때 Figure 1에서와같이전자로만환원시킬경우에는열역학적으로많은에너지를필요로하기때문에전자단독사용보다는수소이온을함께사용함으로써필요에너지량을줄이는것이바람직하다. 또한 Figure 1에서개미산과일산화탄소는모두이산화탄소에두개의전자가더해진상태라는것을알수있다. 그렇다면어떠한화합물을이산화탄소의환원반응을통하여생산할지를선택하는것이중요한문제가된다. Figure 2는이산화탄소의환원반응을통하여생산되는화합물의에너지와생산되는화합물의가격을보여주고있다. Figure 2에서볼 KIC News, Volume 18, No. 3, 2015 15
Figure 3. NADH 의존형 formate dehydrogenase에의한개미산전환반응 [5]. Figure 1. ph7 수용액에서의이산화탄소환원을위한필요전자수및에너지관계도 [2]. 2. 효소에의한이산화탄소의개미산 (HCOOH) 전환 Figure 2. 이산화탄소전환을통하여생성될수있는화합물의투여에너지및가격비교를통한최적목표화합물선정 [3]. 수있듯이투여되는환원에너지와가격을동시에고려할때, 유용한후보는개미산과일산화탄소가우선대상이될수있을것으로판단된다 [3]. 메탄올의경우세계적으로많은양의수요가있으나, 이산화탄소로부터전환하기위해서는 6개의전자를필요로하는반면화합물의가격은도리어낮아이산화탄소의전기화학적전환반응을통하여기대될수있는경제성이작을것으로예상된다. 이산화탄소의전기화학적전환을통하여개미산과같은유용범용화학제품을생산할때가장문제가되는것은전환촉매라고알려져있다 [4]. 따라서본원고에서는개미산전환바이오촉매를중심으로소개하고자한다. 현재까지자연계에존재하는바이오촉매 ( 효소 ) 중에이산화탄소를개미산으로주로전환하는효소촉매는보고된바가없다. 다만개미산을이산화탄소로산화시키는 formate dehydrogenase가존재하며, 이효소반응의가역성을이용하여이산화탄소를환원시켜개미산을생산하려는시도가활발히진행중이다. 자연계에존재하는 formate dehydrogenase는크게 NADH 의존형과비의존형으로나눠진다. NADH 의존형 formate dehydrogenase의경우일반적으로반응활성부위에별도의금속을포함하지않으며, 산소안정성이크다는것이장점중의하나이다. NADH 의존형 formate dehydrogenase에의한이산화탄소환원반응식은 Figure 3과같이표현해볼수있다. 현재가장큰문제는이산화탄소환원반응속도에비하여개미산의산화속도가월등히빠르다는것이다. 이는현재알려진 formate dehydrogenase 로는이반응을사실상수행하는것이거의불가능하며, 이산화탄소환원반응에적합한효소촉매의발굴및단백질공학을이용한개량이반드시필요할것으로판단된다. 최근 Thiobacillus 유래새로운 formate dehydrogenase가기존알려진효소에비하여월등히높은이산화탄소전환능을보인다는것이보고되었다 [5]. 이효소는단백질구조상이산화탄소가원활하게출입할수있는구조를가지고있으며 (Figure 4), 동시에 QM/MM 연구를통하여개미산으로환원전환될때상대적으 16 공업화학전망, 제 18 권제 3 호, 2015
바이오촉매생물전환반응을통한이산화탄소로부터개미산및유용산물생산 Figure 4. Thiobacillus 유래 formate dehydrogenase 3 차원구조 [5]. Figure 5. Mo-pterin 포함 formate dehydrogenase에의한개미산합성기작 [6]. 로낮은활성화에너지를보인다는것이보고되었다 [5]. 그러나보고된효소역시상업적으로적용하기에는현저하게낮은개미산생성속도를보이고있어추가적인개량이필요할것으로판단된다. 바이오촉매외에이반응에서는전환되는이산화탄소몰당동일몰수의 NADH가필요하기때문에 NAD + 를전기화학적으로 NADH로재생하는것이필수적이다. 그러나 NADH의전기화학적재생은단순전극만으로는적합하지않고 Rh-complex와같은또다른촉매가필요하다는문제가있다. NADH 비의존형 formate dehydrogenase의경 Figure 6. NADH 비의존형 formate dehydrogenase에의한전극전달전자의직접이용을통한이산화탄소로부터개미산합성 [7]. 우에는 NADH와같은고가의 electron carrier를필요로하지않고전극에서직접전자를전달받아이산화탄소를환원시킬수있는능력을가지고있다. 이러한종류의바이오촉매들은반응활성부위에 Mo 또는 W의금속이 pterin ligand에금속착체를보유하고있으며, Figure 5와같은반응기작을보이는것으로예상되고있다. 이러한효소들은 NADH 의존형에비하여 3,400 s -1 에달할정도로매우빠른이산화탄소환원속도를보인다고알려져있으며, Figure 6와같 KIC News, Volume 18, No. 3, 2015 17
Figure 7. 미생물내에서 formate 이용대사경로모식도 [8]. 이전극에전달되는전자를직접이용하면서도전자이용효율이 95% 이상에달할정도로매우효율이높다 [7]. 그러나산소에매우취약하며또한효소의안정성이극히약하여산업적적용을위해서는넘어야할문제가많다. 바이오촉매를그대로사용하는시도와별도로반응부위를모사하여유사한금속유기체를만들어인공효소화하려는시도도매우활발하게진행되고있다. 3. 미생물을이용한개미산으로부터유용화합물전환이산화탄소로부터개미산을대량으로생산할수있어도개미산의전세계적인수요가상당히한정되어있어서이산화탄소의대량전환목표에부합한다고할수없다. 그러나이산화탄소로부터생산된개미산을특정한미생물에게탄소원으로주입할경우특정미생물은이를이용하여다양한형태의 C n 화합물을대사과정을통하여생산할수있다. 일반적으로 C1 화합물을 C-C결합형성을 통하여복잡한화합물을선택적으로합성하는것은용이하지않은일이다. 그러나소위 formatotrophic 미생물이라불리는일군의미생물은개미산을유일한탄소원으로이용하여세포성장과동시에다양하고부가가치가높은화합물을생산할수있다. Figure 7에서보여주는것은개미산을이용하여세포가생존할수있는핵심대사과정을보여주고있다 [8]. 메탄올자화균등은특히 Figure 7에서보여지는 Serine pathway를가지고있으며, 이경로를통하여나오는 acetyl-coa를가지고있다. 미생물이대사과정중에서생산하는 Acetyl-CoA는대표적인핵심플랫폼화합물이다. Acetyl-CoA로부터는대부분의미생물대산산물이생산될수있는데대표적인것이에탄올, 부탄올과같은알코올물질이다. 따라서이론적으로는개미산을이용하여에탄올 (C2), 부탄올 (C4) 와같은 Cn화합물을생산할수있으며, 특히에탄올의경우연간 1.2억톤이전세계적으로생산 / 소비될만큼중요한화합물이다. 18 공업화학전망, 제 18 권제 3 호, 2015
바이오촉매생물전환반응을통한이산화탄소로부터개미산및유용산물생산 4. 결론및전망자연계에존재하는바이오촉매의경우환원반응보다는모두산화반응을통하여에너지획득과정에맞게진화된것으로판단된다. 상대적으로환원반응에우수한성능을보이는효소들은금속을반응부위에가지는특징이있으나모두산소에매우취약한면을보이고있다. 이산화탄소의공업적인대량전환을위해서는기존자연계에서얻어진효소를단백질공학의기법으로개량하여산업적응용성을높이는것이필수적일것으로판단된다. 이를위해서는분자진화적방법외에단백질구조를기반으로 in-silico design과같이계산화학기법의적극적채용이필요할것으로예상된다. 마지막으로효소에전자와수소이온을원활히공급할수있는전극재료를포함한전기화학시스템기술의개발도필수적일것이다. 현재까지의바이오산업은탄수화물과같이환원상태의물질을원료로하여유용화합물생산에익숙한반면산화된형태의탄소인이산화탄소를이용하여유용화합물생산은매우생소하다. 따라서앞으로이분야에대한기초부터응용에이르기까지의다양한분야의전문가의관심및연구참여가절실할것으로판단된다. 참고문헌 1. G. A. Olah, A. Goeppert, and G. K. Surya Prakash, Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy, Wiley-VCH, 2009. 2. J. Schneider, H. Jia, J. T. Muckerman, and E. Fujita, Thermodynamics and kinetics of CO 2, CO, and H+ binding to the metal centre of CO 2 reduction catalysts, Chem. Soc. Rev., 41, 2036-2051 (2012). 3. DNV Report, Carbon dioxide utilization 2011, http://www.dnv.com/binaries/dnv-position _paper_co2_utilization_tcm4-445820.pdf. 4. A.T. Bell, Basic Research Needs, Catalysis for Energy, DOE Report, 2008; http://www. sc.doe.gov/bes/reports/files/cat_rpt.pdf. 5. H. J. Choe et al., Structural and functional characterization of an NAD-dependent formate dehydrogenase from Thiobacillus sp. KNK65MA with efficient CO 2 -reducing activity, Acta Crystallographica Section D., D71, 313-323 (2015). 6. A. M. Appel et al., Frontiers, Opportunities, and Challenges in Biochemical and Chemical Catalysis of CO 2 Fixation, Chem. Rev., 113, 6621-6658 (2013). 7. T. Reda, C. M. Plugge, N. J. Abram, and J. Hirst, Reversible interconversion of carbon dioxide and formate by an electroactive enzyme, PNAS., 105, 10654-10658 (2008). 8. A. Bar-Even et al., Design and analysis of metabolic pathways supporting formatotrophic growth for electricity-dependent cultivation of microbes, Biochim Biophys Acta., 1827, 1039-1047 (2013). 김용환 1991 서울대학교화학공학과학사 1993 서울대학교화학공학과석사 1996 서울대학교화학공학과박사 2000 삼성종합기술원, 삼성엔지니 어링 2005 한국화학연구원 2005 현재 광운대학교화학공학과교수 KIC News, Volume 18, No. 3, 2015 19