양자점-박테리아 복합 시스템 형성 및 빛을 이용한 암모니아 생성 반응/KAIST 제공
KAIST 생명화학공학과 이도창 교수·이상엽 특훈교수·박영신 연구교수 연구팀이 디스플레이 소재인 양자점(퀀텀닷)을 이용해 질소 고정 박테리아의 암모니아 생산 효율을 대폭 늘렸다.
핵심 기술은 양자점에 의해 흡수된 빛 에너지를 박테리아의 암모니아 합성 반응에 사용한 것이다.
박테리아의 암모니아 생산량을 큰 폭으로 증가시켰으며 양자점을 질소고정 박테리아 안에 더 많이 넣을 수 있는 방법도 제시했다.
질소 고정(Nitrogen Fixation)은 공기 중 질소 기체 분자(N₂)를 암모니아(NH₃) 등 질소화합물로 전환하는 과정이다.
질소 고정 박테리아는 질소 고정 효소를 이용해 대기 중 질소를 암모니아로 전환해 생장에 필요한 단백질을 생산한다.
이러한 질소 고정 반응은 화학적 암모니아 합성법인 하버-보슈 공정에 비해 에너지 소비와 이산화탄소 배출이 현저하게 적다.
문제는 박테리아가 생장에 필요한 만큼만 암모니아를 생산하도록 진화돼 질소 고정 효소의 반응이 늦는 만큼 이를 산업적으로 활용하기 어렵다는 점이다.
질소 고정 반응이 느린 이유는 효소의 두 가지 구성요소(전자 전달부, 촉매 반응부)의 비효율적인 상호작용 때문이다.
전자 전달부가 촉매 반응부에 전자를 공급한 후, 반드시 탈착 돼야만 촉매 반응부가 새로운 전자를 추가로 공급받아 암모니아를 생성할 수 있다.
연구팀은 빛을 흡수하는 양자점을 박테리아의 질소 고정 반응에 전자 공급원으로 활용해 나노·바이오 복합 시스템을 구축했다.
질소 고정 효소의 전자 전달부 역할을 양자점으로 대체하기 위해 양자점의 코어·쉘 구조를 전자 전달에 유리하게 설계했다.
양자점이 생물학적 시스템에 결합할 수 있도록 표면 화학 특성을 제어해 수 분산 특성도 확보했다.
연구팀은 구조와 표면이 제어된 양자점을 질소 고정 박테리아의 대사활동이 가장 활발한 성장기에 추가해 박테리아의 능동적인 양자점 흡수를 유도했다.
이렇게 제작된 양자점-박테리아 복합 시스템에 빛을 조사한 결과, 질소 고정 반응 속도가 증가하며 암모니아 생산량이 대폭 증가함을 확인했다.
이번 성과는 디스플레이 소재와 미생물의 장점을 합해 빛 에너지를 이용한 새로운 방식의 암모니아 합성법을 제시한 결과라는 평가를 받고 있다.연구팀은 이번 연구를 활용한 그린 암모니아 생산 플랫폼을 구축한다면 환경·에너지 문제에 적극적으로 대응할 수 있을 것으로 전망하고 있다.
이번 연구는 국제 학술지 ‘미국 화학회지(JACS)’ 표지 논문으로 선정됐다.
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