광합성에 의해 임산물과 농산물 형태로 매년 생성되는 지구상의 바이오매스는 약 2천억 톤에 달한다. 이를 에너지로 환산하면 약 720억 toe로서, 화석 연료 소비량의 약 10배에 해당한다. 때문에 바이오매스는 석탄, 석유, 천연가스의 뒤를 잇는 네 번째로 큰 에너지 소스이자, 석유를 대체할 유력한 후보로 거론되고 있다.

즉, 미래에는 석유 대신 바이오매스에서 얻은 연료로 자동차를 움직이고, 바이오리파이너리를 통해 다양한 화학제품을 생산하게 될 것이다. 바이오리파이너리(biorefinery)란 석유에서 여러 가지 화학제품을 얻듯이 바이오매스 정제를 통해 다양한 화학제품을 얻는 과정을 의미한다. 하지만 바이오리파이너리엔 치명적인 단점이 있다. 바로 바이오매스의 높은 산소 함량이 그것이다.

그런데 최근 독일 막스플랑크연구소 연구진이 이 문제를 해결할 수 있는 새로운 화학공정 개발에 성공해 주목 받고 있다. 바이오매스 구성 성분인 리그닌을 페놀로 분해함과 동시에 페놀에서 산소를 제거해 방향족 유도체로 전환시키는 데 성공한 것.

리그닌은 바이오매스를 구성하는 주성분 중 하나로 종이나 펄프 생산과정에서 부산물로 많이 발생되는 물질이다. 리그닌을 작은 구성단위로 분해하는 과정을 ‘해중합반응’이라 하며, 이에 따라 페놀이 생성된다. 페놀처럼 끓는점이 높은 화합물 대신 끓는점이 낮고 산소를 함유하지 않는 방향족 유도체로 직접 전환하는 해중합반응은 재래식 정제공정을 획기적으로 단순화할 수 있다.

그런데 페놀은 산소 원자와 방향족 고리 탄소 사이의 화학결합이 매우 강해 분해하기가 쉽지 않다. 따라서 촉매와 수소를 이용해 이 결합을 분해하는 우회 방식을 사용해야 하는데, 이러한 우회 제조방식은 대량 생산에 부적합하다.

하지만 막스플랑크연구소의 로베르토 리날디 연구팀이 새로 개발한 화학공정은 리그닌을 페놀 화합물로 분해함과 동시에 선택적으로 산소를 함유하지 않는 방향족 유도체로 전환한다. 이 같은 산소 저감 기술은 리그닌을 원료 물질로 사용하는 바이오리파이너리 산업의 새로운 장을 여는 일대 사건이 될 전망이다.

식물 잎에서 오일 생산할 수 있는 유전자 발견

식물 바이오매스의 공급원인 잎에서 오일 함량을 획기적으로 증가시킬 수 있는 기술도 최근에 개발됐다. 이 기술의 비밀은 바로 식물조직에서 오일 생산 및 축적에 필요한 두 가지 핵심 유전자에 숨어 있다. 미국 에너지부 산하 브룩헤이븐 국립연구소 소속의 연구진이 규명한 이 유전자는 바로 PDAT1과 올레오신이다.


식물에서의 오일 저장은 보통 씨앗이 담당하고 있으며, 잎과 같은 식물성 조직에 많은 오일을 저장하지 않는다. 그러나 연구진이 오일 생산에 관여하는 특정 효소를 만들 수 있는 PDAT1 유전자를 과발현 시킨 결과, 잎에서 오일 생산이 60배가량 증가되었다.

그런데 잎 세포의 오일 방울은 씨앗에서 발견되는 오일 방울보다 훨씬 더 컸다. 이러한 과대 크기의 오일 방울에 함유된 오일은 세포 내 다른 효소에 의해 쉽게 분해될 수 있다. 씨앗에 있는 오일 방울의 경우 올레오신이라 불리는 단백질로 코팅되어 오일 내부가 보호된다. 연구진이 PDAT1과 함께 올레오신 관련 유전자를 함께 과발현 시킨 결과, 잎에서의 오일 생산이 약 130배가량 증가한 것을 확인했다고 한다.

PDAT1의 과발현은 잎의 TAG 축적을 증가시켜 오일 방울 과팽창으로 이어졌으며, 올레오신의 발현은 작은 오일 방울이 클러스터를 형성하는 걸 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 연구진은 오일 생산을 증가시키는 두 가지 유전자의 과발현 효과를 이미 상승된 지방산 합성을 가지는 실험 식물의 변종에 테스트한 결과, 170배가량의 오일 생산 및 축적을 증가시킨다는 사실을 확인했다.

이는 카놀라 씨앗에서 얻는 오일의 약 2배 이상에 해당하는 양이다. 카놀라는 바이오디젤 생산을 위해 사용되는 식물 중 가장 많은 양의 오일을 수확하는 농작물 중의 하나로 알려져 있다. 이 연구결과는 식물을 기반으로 하는 식량 및 재생 가능한 바이오 원료의 에너지 함량을 증가시키는 데 중요한 영향을 끼칠 수 있다는 점에서 주목 받고 있다.

선박 갉아먹는 바다나무좀의 비밀

한편, 바이오매스를 이용한 바이오연료 생산과정은 크게 3가지 공정으로 이루어진다. 바이오매스에서 불필요한 성분을 제거하는 전처리공정, 셀룰로오스를 발효 가능한 당(탄수화물)으로 분해하는 당화공정, 최종적으로 당에서 바이오연료를 얻는 발효공정이 그것이다.

그런데 현재 당화공정에 사용되는 효소는 보통 곰팡이균에서 얻은 것으로서, 전처리공정에서 사용하는 독성 화학물질에 대해 매우 취약하다는 단점을 지닌다. 하지만 최근에 이 같은 문제점을 해결할 수 있는 새로운 연구결과가 제시됐다.

미국 에너지부 산하 국립재생가능에너지연구소의 연구팀이 찾아낸 해결책은 바로 수 세기에 걸쳐 선원들을 괴롭혀 온 ‘네점박이 바다나무좀’이란 생물이 쥐고 있었다. ‘림노리아 쿠아드리펀타타’란 학명을 갖고 있는 이 바다나무좀은 선박이나 부두의 목재 구조물을 파먹을 만큼 엄청난 소화력을 지닌 생물이다.

몸길이가 1~3밀리미터에 불과한 이 작은 생물이 나무를 게걸스럽게 먹어치울 수 있는 비결은 바로 자기 몸길이에 거의 육박할 정도로 큰 ‘헤파토판크리아스’라는 기관에서 분비되는 소화효소 덕분이다.

이 소화효소는 선원들에겐 골치 아픈 문제를 일으켰지만, 바이오연료 산업을 연구하는 과학자에겐 축복이 될 수 있는 물질이었던 것. 바이오연료 생산에 사용되는 분해효소의 성능, 수명, 생산성을 획기적으로 개선하는 데 필요한 열쇠가 이 소화효소에 숨겨져 있기 때문이다.

바다나무좀은 제7족 셀룰로오스 분해효소에 해당하는 소화효소 7종을 만들어낸다. 연구진은 그중 ‘Cel7B’로 명명된 효소의 구조를 고해상도 x-선 회절 기법으로 규명함으로써, 곰팡이균 유래 효소와의 구조적 차이점을 밝혀냈다.

Cel7B는 바닷물 수준의 염도에서도 기존 효소에 비해 6배 이상 뛰어난 활성을 나타낸다. 또한 물 사용량을 줄여 고체 비중을 높인 상태에서도 문제없이 제 기능을 발휘하는 것으로 확인됐다. 이는 곧 Cel7B를 당화공정에 이용할 경우 같은 양의 바이오매스를 더 작은 부피의 반응기에서 처리할 수 있음을 의미한다.

당화공정에서의 시간과 에너지 절약은 생산성 및 수익성 향상과 직결되므로 미래 바이오연료 산업의 발전에 큰 파급 효과를 기대할 수 있게 됐다.