[미국] 태양에너지를 액체 연료로 전환하는 박테리아
태양광을 수확하는 것은 광합성으로 알려진 과정에서 식물 둘레의 공기와 물에서 식물이 살아가기 위해 태양 에너지를 이용하여 수억년 전에 식물들이 얻은 지식이다.
또한, 과학자들은 연료 전지에서 이후 이용될 수 있는 수소를 얻기 위해 광전지에서 전기를 이용하여 태양 에너지를 수확하는 방법을 알아냈다. 그러나, 수소는 주위 액체 연료들에서 전력을 생산하거나 자동차를 위한 실용적인 연료로 채집되기 어렵다.
현재 하버드대학 과학자들은 태양 에너지를 액체 연료로 전환하는데 박테리아를 이용하는 시스템을 개발했다. 이 연구팀의 연구는 이산화탄소와 수소를 액체인 아이소프로판올로 변환시키는 세균으로 태양광이 물을 수소와 산소로 분리하게 하는 촉매제를 이용하여 “인공 잎”을 통합시킨다.
와이스 기관의 실버 교수는 “이는 액체 연료의 형태로 태양 에너지를 저장하고 수집하는 방법을 가질 수 있는 개념의 증거이다. 하버드 대학의 에너지 교수인 대니얼의 놀라운 촉매제 발견은 액체 연료 채집을 촉발하고, 우리는 태양 에너지의 수집으로 일종의 유기체들의 인터페이스를 얻었다”고 말했다.
실버 교수와 MIT에서 하버드 대학으로 온 대니얼 노세라 교수는 2년 전부터 협력을 시작하였다. 이들은 현재 시스템에 반대되는 것처럼 국부적으로 에너지를 만드는 개념 혹은 “개별화된 에너지”에 대해 관심을 가졌다. 오일의 예에서 생산이 집중되고 이후 주유소로 보내진다는 의미이다. 지역 에너지는 개발도상국에서 매력적이 될 수 있다.
실버 교수는 “우리가 아주 난해한 시스템을 만들려는 것은 아니다. 대신에 우리는 간단하면서 사용이 쉬운 방법을 찾고 있다”고 말했다.
비슷한 맥락에서 노세라 연구팀의 인공 잎은 저렴하면서 엑세스가능한 물질들로 만들어진 촉매제에 의존한다. 노세라 교수는 “만들어진 촉매제들은 극히 잘 적응되었고, 세균과 같은 유기체에 필요한 성장 조건들과 호환된다”고 말했다.
새로운 시스템에서 인공 잎이 산소와 수소를 만들면, 수소는 랄스토니아 유트로파로 불리는 박테리아에게 먹힌다. 효소는 수소를 광자와 전자에게 돌려주고, 더 많은 세포를 만들면서 자기 복제를 하기 위해 이산화탄소와 결합한다.
이후, MIT 건강 과학 및 기술과 마이크로생물학의 교수인 앤서니 신스키의 발견에 기반하여 세균에서 새로운 경로는 아이소프로판올을 만드는데 신진대사로 디자인된다.
생물학으로 무기 촉매체를 인터페이스 하는 이점은 무기 촉매제들로 혼자 가지지 못하는 화학 합성을 위한 특유의 플랫폼을 가지는 것이다. 태양 화학 제품은 이 논문의 핵심이고, 지금까지 우리가 이를 발전소에서 사용해 왔으나, 연구팀은 많은 화합물을 만들기 위하여 생물학의 놀라운 능력을 사용하고 있다.
같은 원칙들은 적은 양들의 비타민과 같은 약들을 생산하는데 채용될 수 있다.
연구팀의 도전은 촉매제와 박테이라를 최적화함으로써 태양 에너지를 바이오 매스로 전환시키는 바이오 잎의 능력을 증가시키는 것이다. 연구팀의 목표는 태양광을 바이오매스로 전환시키는 광합성을 위한 1% 효율 자연비와 비교할 때 5% 효율이다.
연구팀은 태양광을 아이소판올로 전환시키는 1% 효율비를 달성하였다. 진화는 26억년이 걸리지만, 연구팀은 1년 반의 연구를 통해 광합성 효율을 달성하였다.
그림 설명: 가시광 엽록체들을 가진 식물 세포들
참고 자료: Efficient solar-to-fuels production from a hybrid microbial–water-splitting catalyst system, PNAS,
http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1424872112
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 2월 12일]
[원문보기]
Researchers use bacteria to convert solar energy into liquid fuel
Harvesting sunlight is a trick plants mastered more than a billion years ago, using solar energy to feed themselves from the air and water around them in the process we know as photosynthesis.
Scientists have also figured out how to harness solar energy, using electricity from photovoltaic cells to yield hydrogen that can be later used in fuel cells. But hydrogen has failed to catch on as a practical fuel for cars or for power generation in a world designed around liquid fuels.
Now scientists from a team spanning Harvard University's Faculty of Arts and Sciences, Harvard Medical School and the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University have created a system that uses bacteria to convert solar energy into a liquid fuel. Their work integrates an "artificial leaf," which uses a catalyst to make sunlight split water into hydrogen and oxygen, with a bacterium engineered to convert carbon dioxide plus hydrogen into the liquid fuel isopropanol.
The findings are published Feb. 9 in PNAS. The co-first authors are Joseph Torella, a recent PhD graduate from the HMS Department of Systems Biology, and Christopher Gagliardi, a postdoctoral fellow in the Harvard Department of Chemistry and Chemical Biology.
Pamela Silver, the Elliott T. and Onie H. Adams Professor of Biochemistry and Systems Biology at HMS and an author of the paper, calls the system a bionic leaf, a nod to the artificial leaf invented by the paper's senior author, Daniel Nocera, the Patterson Rockwood Professor of Energy at Harvard University.
"This is a proof of concept that you can have a way of harvesting solar energy and storing it in the form of a liquid fuel," said Silver, who is Core Faculty at the Wyss Institute. "Dan's formidable discovery of the catalyst really set this off, and we had a mission of wanting to interface some kinds of organisms with the harvesting of solar energy. It was a perfect match."
Silver and Nocera began collaborating two years ago, shortly after Nocera came to Harvard from MIT. They shared an interest in "personalized energy," or the concept of making energy locally, as opposed to the current system, which in the example of oil means production is centralized and then sent to gas stations. Local energy would be attractive in the developing world.
"It's not like we're trying to make some super-convoluted system," Silver said. "Instead, we are looking for simplicity and ease of use."
In a similar vein, Nocera's artificial leaf depends on catalysts made from materials that are inexpensive and readily accessible.
"The catalysts I made are extremely well adapted and compatible with the growth conditions you need for living organisms like a bacterium," Nocera said.
In their new system, once the artificial leaf produces oxygen and hydrogen, the hydrogen is fed to a bacterium called Ralstonia eutropha. An enzyme takes the hydrogen back to protons and electrons, then combines them with carbon dioxide to replicate—making more cells.
Next, based on discoveries made earlier by Anthony Sinskey, professor of microbiology and of health sciences and technology at MIT, new pathways in the bacterium are metabolically engineered to make isopropanol.
"The advantage of interfacing the inorganic catalyst with biology is you have an unprecedented platform for chemical synthesis that you don't have with inorganic catalysts alone," said Brendan Colón, a graduate student in systems biology in the Silver lab and a co-author of the paper. "Solar-to-chemical production is the heart of this paper, and so far we've been using plants for that, but we are using the unprecedented ability of biology to make lots of compounds."
The same principles could be employed to produce drugs such as vitamins in small amounts, Silver said.
The team's immediate challenge is to increase the bionic leaf's ability to translate solar energy to biomass by optimizing the catalyst and the bacteria. Their goal is 5 percent efficiency, compared to nature's rate of 1 percent efficiency for photosynthesis to turn sunlight into biomass.
"We're almost at a 1 percent efficiency rate of converting sunlight into isopropanol," Nocera said. "There have been 2.6 billion years of evolution, and Pam and I working together a year and a half have already achieved the efficiency of photosynthesis."
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