June 17,2019

전기 먹고 이산화탄소 없애는 ‘미생물’

전도성 물질서 전자 흡수…천연배터리로 주목

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옛날에 쇠를 먹는 불가사리가 살았다면, 오늘날에는 전기를 먹는 미생물이 살고 있다. 차이가 있다면 쇠를 먹는 불가사리는 전설의 동물이지만, 전기를 먹는 미생물은 실제로 존재하는 생물이라는 점이다.

전기를 먹는 것으로 알려진 R.palustris의 현미경 사진

전기를 먹는 것으로 알려진 R.palustris의 현미경 사진 ⓒ wustl.edu

과학기술 전문 매체인 사이언스데일리(Science Daily)는 미 세인트루이스시에 위치한 워싱턴대의 연구진이 금속 산화물 같은 전도성 물질로부터 전자를 받아서 이산화탄소를 줄일 수 있는 미생물을 연구하고 있다고 보도했다. (관련 기사 링크)

전도성 물질로부터 전자 흡수하는 박테리아

미생물은 수십억년이라는 시간 동안 일어난 진화를 통해서 다양한 대사과정을 만들어 왔다. 분해가 불가능하다고 여겨졌던 스티로폼부터 시작하여 독극물로 유명한 비소까지 미생물의 대사 능력은 상상을 초월하는 경우가 많다.

그런데 최근 워싱턴대가 발표한 새로운 대사 과정은 이전 사례들과는 또 다른 놀라움을 주기에 충분하다. 왜냐하면 물질을 구성하는 원자 속 전자를 끌어다 사용하는 미생물이 발견됐기 때문이다. 이른바 전기를 먹이로 하는 미생물이 발견된 셈이다.

워싱턴대의 생물학 조교수인 ‘아피타 보스(Arpita Bose)’가 이끄는 연구진은 오래 전부터 독특한 대사 과정을 지닌 박테리아 ‘로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris, R.palustris)’를 연구해 왔다.

약자로 R.palustris이라 불리는 이 박테리아는 광합성 세균 종류에 포함되는 ‘자색세균(purple bacteria)’ 중 하나다. 이 박테리아는 영양분을 흡수하면서 주위 환경에서 전자를 끌어오는 성질을 가졌다. 특히 철의 산화를 촉진시키며, 이 과정에서 필요한 전자를 끌어오는 것으로 알려져 있다.

워싱턴대 연구진은 R.palustris 같은 유전자 조작처럼 인위적으로 변이를 일으킨 것이 아니라 자연발생적으로 진화한 균주가 어떻게 금속 산화물이나 녹 같은 전도성 물질로부터 전자를 끌어오는지를 규명하는 실험에 착수했다.

전기먹는 미생물을 연구하고 있는 아피타 보스(우) 교수와 연구진

전기먹는 미생물을 연구하고 있는 아피타 보스(우) 교수와 연구진 ⓒ wustl.edu

우선 연구진은 R.palustris를 자철석과 함께 배양했는데, 빛의 세기에 따라 전자를 흡수하는 특성이 달라지는 것을 발견했다. 밝은 빛에서는 R.palustris가 철로부터 전자를 뺏지만, 어두운 빛에서는 철에게 다시 전자를 돌려준다는 것을 발견한 것이다.

연구진은 R.palustris의 이런 특성을 이용하면 낮에는 방전을 하고, 밤에는 충전을 하는 천연배터리를 제작할 수도 있을 것으로 판단했다.

보스 교수는 “전자를 흡수하고 방출할 수 있다는 말은 결국 전기를 보관할 수 있다는 것을 의미한다”라고 밝히며 “R.palustris를 차세대 바이오 에너지원으로 연구하는 경우도 생각할 수 있다”라고 강조했다.

이 연구는 보스 교수가 과거 하버드대 박사과정 재직 시에 추진했던 연구테마를 바탕으로 하고 있다. 당시 그녀는 동료들과 함께 자색세균들이 여러가지 원소들로부터 전자를 끌어내서 에너지원으로 사용하는 과정을 연구했다.

이에 대해 보스 교수는 “R.palustris의 경우 ‘세포외 전자전달(EET, extracellular electron transfer)’이라는 과정을 통해서 세포 밖에 있는 전자를 끌고 들어와서 그들의 에너지 대사에 사용한다는 사실을 발견했다”라고 공개하며 “넓은 범위에서 말하면 아예 전자 자체를 미생물이 포식한다고 할 수 있다”라고 비유했다.

그러면서 “당시 연구가 특별했던 이유는 R.palustris에서 EET 과정을 일으켜 전자를 포식하는데 관여하는 유전자도 발견했다는 점인데, 이 유전자의 작동을 인위적으로 멈추게 하자 전자 대사 과정의 효율이 1/3 수준으로 감소했다”라고 덧붙였다.

이산화탄소 제거 및 독성물질 완화에도 관여

연구진은 R.palustris이 전자를 끌어오는 과정을 규명하는 연구를 하다가 새로운 사실 2가지도 발견했다. 이 박테리아가 탄소고정 과정을 통해 이산화탄소를 제거할 수 있고, 금속 내의 독성도 현저하게 줄일 수 있다는 점이었다.

탄소고정(Carbon Fixation)이란 기체로 존재하는 무기물인 탄소를 탄소 중합체로 바꿔주는 과정을 말한다. 지구상에서 발생하는 탄소고정 과정은 대부분 식물과 미생물의 광합성을 통해 이루어진다.

R.palustris도 광합성 세균의 한 종류인 만큼, 빛으로부터 얻은 에너지를 활용하여 세포밖으로부터 얻은 전자를 이산화탄소 고정에 활용하는 것이다.

이 같은 결과에 대해 보스 박사는 “박테리아의 전자 도입 능력을 인위적으로 제어하자 이산화탄소의 고정량도 함께 줄어드는 현상을 파악했다”라고 언급하며 “이런 현상을 제대로 활용하면 대기 중의 이산화탄소 포집도 가능할 것으로 보인다”고 말했다.

박테리아가 전자를 흡수하여 이산화탄소를 제거하는 기전 ⓒ Nature

박테리아가 전자를 흡수하여 이산화탄소를 제거하는 기전 ⓒ Nature

하지만 문제가 있다. R.palustris이 혐기성 세균이라는 점이다. 즉 태양으로부터 에너지를 얻기 위해서는 산소가 없는 환경에서 자라도록 해야 한다는 것인데, 그런 조건을 충족시켜 상용화까지 하려면 지금까지와는 다른 접근 방법이 필요한 상황이다.

또한 연구진은 금속 내의 독성 관련 실험에서도 환경독성이 강한 6가 크롬을 R.palustris와 반응시킨 결과 안정적인 3가 크롬으로 바뀐다는 사실도 확인했다.

보스 교수는 “6가 크롬은 인체에 흡수될 경우 암을 일으키는 것으로 알려져 있다”라고 밝히며 “광합성 세균의 일종인 R.palustris을 잘만 활용하면 새로운 미래 에너지원도 얻을 수 있고, 기후변화 및 환경오염까지 막을 수 있을 것으로 보인다”라고 전망했다.

번 교수는 “이번 연구는 세균이 미래 에너지원으로 사용될 수 있다는 점을 보여준 것”이라며 “철을 비롯해 전자가 풍부한 다양한 금속에서 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

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