미생물을 활용한 천연가스의 수송용 액체연료 변환
미국의 샌디아국립연구소(Sandia National Laboratories)의 한 연구진은 천연가스(Natural Gas)를 수송용 액체연료로 전환하는 차세대 바이오촉매 기술의 개발을 위해 자신들이 보유한 단백질 발현(Protein expression), 효소 엔지니어링(Enzyme Engineering) 및 고효율의 분석 역량을 활용할 계획이다.
이번 프로젝트는 ARPA-E가 지원하는 34 백만 달러(약 360억원)의 멀티 프로젝트 중 하나이다.
ARPA-E 프로그램인 REMOTE(Reducing Emissions using Methanotrophic Organisms for Transportation Energy)에는 15개의 다른 프로젝트가 포함되어 있다.
샌디아는 MOgene Green Chemicals가 담당하고 있는 프로젝트에 참여하고 있으며, 이들은 태양광을 활용하여 메탄을 부탄올로 변환하는 기술을 개발하고자 한다.
이러한 프로젝트는 에너지원 수입에 의존도를 낮추고, 이산화탄소 배출을 절감하는데 기여할 것으로 기대된다.
메탄영양세균(Methanotrophs)의 경우 메탄을 에너지로 신진대사가 이루어질 수 있다. 샌디아 연구소의 Blake Simmons는 이러한 미생물이 메탄을 변환할 수 있는 대표적인 기본 유기체라 생각하고 있다.
이번 프로젝트의 목표는 이 유기체를 조작하여 부탄올을 생산할 수 있는 또 다른 미생물을 만드는 방안을 모색하는 것이다.
부탄올은 에탄올과 함께 내연기관 연료로서 활용될 수 있으며, 오랫동안 수송용 바이오연료의 최적 옵션으로 고려되어 왔다.
Simmons는 "항공 및 디젤엔진과 같은 분야에서는 비석유 탄화수소에 대한 필요성이 계속 증대되고 있다. 그러나 천연가스를 일부 엔진에 그대로 연소할 수 없다.
천연가스가 자동차의 액체 연료로서 효과적으로 활용되기 위해서는 특별한 처리가 필요하다. 이는 바이오매스를 현재 연료 인프라에 그대로 적용하기 위해서는 특정한 변환공정을 거쳐야 하는 것과 유사하다.
관련 과학자들은 바이오연료를 탄소 배출은 낮으면서 경제적이고, 내부적으로 원료 공급이 가능한 연료로 변환하기 위해 노력해왔다.
이번 프로젝트의 특징은 바이오매스보다는 천연가스 연료로 사용한다는 것"이라고 설명하였다.
지상에서 생산되는 천연가스는 재생가능한 자원은 아니지만 최근 셰일가스 붐과 같은 에너지 공급의 용이성 때문에 그 중요성이 점차 증대되고 있다고 강조하였다.
Simmons는 MOgene사는 유기체와 관련한 전문지식을 제공하고, 샌디아연구소는 효소조작 및 다른 역량을 활용할 수 있다고 말한다.
Simmons는 미생물을 이용하여 천연가스를 수송용 액체 연료로 변환하는 것이 새로운 기술은 아니라고 말한다.
그는 "자연에는 천연가스 신진대사를 통해 생존하고 번성하는 다양한 유기체가 존재하기 때문에 과거에도 이러한 접근방식에 대한 조사가 많이 이루어졌다.
그러나 문제는 이들 유기체들이 매우 독특하고 조건이 정해진 환경에서 존재하며, 일반적으로 매우 느리다는 것"이라고 설명한다.
"이번 ARPA-E의 프로젝트는 자연이 우리에게 준 것을 개선하고 가스 공급원료를 전환하고 공정을 높이기 위한 효과적인 방안을 개발하고 있다.
현재 천연가스를 부탄올로 변환하는 생물학적 기술 중 입증된 것은 없다"고 그는 설명하였다.
또한 Simmons는 "이와 관련된 연구를 하는 사람들은 미생물의 핵심 신진대사를 연구하고 있다.
이를 통해 미생물을 조작하여 빠른 진행이 가능하도록 만들거나, 유기체의 신진대사 부분만 빼내어 이를 산업적으로 적절한 무언가에 투입할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.
많은 연구 집단들이 이러한 문제를 해결하기 위해 노력했으나 큰 성과는 없었다.
그러나 Simmons는 샌디아가 지난 수년간 멤브레인 단백질 및 다양한 툴 개발을 기반으로 이러한 문제를 해결하기 위해 노력해 왔다고 말했다.
Simmons는 "샌디아 연구소는 어려운 단백질 발현이 가능함을 입증하였다. 또한 처리효율이 우수한 효소를 만들 수 있는 엔지니어링 및 모델링 기술 및 역량을 보유하고 있다.
이러한 문제를 다룰 수 있는 기술적 역량을 하나의 패키지로 제공할 수 있는 연구기관은 많지 않다.
많은 과학자들이 이러한 종류의 효소를 표현하는데 노력해 왔지만 그렇게 쉽게 해결되지는 않는 문제였다. 연구 집단들에게는 심오한 과학적 도전이었다.
그러나 샌디아 연구소는 이러한 문제를 해결할 수 있는 축적된 경험과 능력을 보유하고 있다"고 강조하였다.
[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 11. 21]
[원문보기]
Converting natural gas to liquid transportation fuels via biological organisms
Researchers at Sandia National Laboratories will use their expertise in protein expression, enzyme engineering and high-throughput assays as part of a multiproject, $34 million effort by the Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) aimed at developing advanced biocatalyst technologies that can convert natural gas to liquid fuel for transportation.
The ARPA-E program is Reducing Emissions using Methanotrophic Organisms for Transportation Energy, REMOTE, and involves 15 different projects.
Sandia is a part of a two-year award led by MOgene Green Chemicals, a wholly owned subsidiary of St. Louis-based MOgene, LC, and will work toward sunlight-assisted conversion of methane to butanol.
The broad goal is to have another source of energy in the U.S. that doesn't have to be imported and could lead to lower carbon monoxide emissions than conventional fossil fuels.
Methanotrophs are microbes that can metabolize methane. Sandia's Blake Simmons, manager of the labs' biofuels and biomaterial science and technology group, calls this microbe the "poster child" of organisms that are capable of metabolizing and converting methane.
The goal of the project is to engineer pathways from these organisms into another microbial host that can generate butanol.
Butanol can be used as a fuel in an internal combustion engine and, along with ethanol, has long been considered one of the best biofuel options for transportation energy.
"The need for hydrocarbons that are nonpetroleum in origin is still growing, including applications such as aviation and diesel engines," said Simmons.
"But in its natural state, you're not going to readily burn natural gas in those types of engines, and the same goes for some combustion engines." Natural gas, he explains, requires a special modification to be used effectively as a liquid fuel in vehicles, much like biomass needs to be converted before it can be used as a drop-in fuel.
"With biomass, we are essentially taking something that exists in nature and converting it into a low-cost, low-carbon, domestically-sourced fuel.
With this project, we're using natural gas as the input rather than biomass," said Simmons. Natural gas extracted from the ground is not renewable, he pointed out, but it is playing an increasingly important role for the Department of Energy and the nation's energy supply.
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