[호주] 물과 햇빛, 지속가능한 연료를 위한 공식
요약: 과학자들이 광합성에서 중요한 단계들 중의 하나를 복제해서, 연료로서 수소를 생산할 수 있는 태양빛에 의해서 구동되는 생물학적인 시스템을 위한 방법을 열어주었다.
한 호주국립대(Australian National University (ANU)) 팀이 광합성에서 결정적인 단계들 중의 하나를 성공적으로 복제해서, 수소를 연료로서 생산할 수 있는, 햇빛으로 동력을 얻는 생물학적 시스템들을 위한 방법을 열어주었다. “물은 풍부하고 햇빛도 그렇다. 수소를 만들기 위해서 그것들을 사용하고, 그것을 싸고 안전하게 하는 것은 흥미로운 관점”이라고 ANU 생물연구대(Research School of Biology)에 있는 ARC Centre of Excellence for Translational Photosynthesis의 Kastoori Hingorani 박사가 말했다.
수소는 석유 제품들에 대한 잠재적인 제로-탄소(zero-carbon) 대안을 제공하며, 이미 우주선을 진수시키는데 사용된다. 그러나 이 연구 전까지, 식물들이 물을 쪼갬으로써 수소를 생산하는 방식은 잘 이해되지 않았었다. 이 팀은 빛에 노출될 때, 광합성에 열쇠가 되는 전기적인 박동을 보여주는 단백질을 만들었다. 이 시스템은 자연적으로 발생하는 단백질을 사용하고 전지나 비싼 금속들을 필요로 하지 않아서, 개발도상국가들에서 비용을 감당할 수 있을 것이라는 것을 의미한다고 Hingorani 박사는 말했다.
공동 연구자인 Ron Pace 교수는 이번 연구가 깨끗하고 값싼 연료원으로서 수소를 생산하기 위한 새로운 가능성을 열어준다고 말했다. “이것은 우리가 햇빛으로부터 에너지를 일차적인 포획을 복제한 첫 번째이다. 매우 효율적인 연료를 만들거나, 대기중 탄소를 포획하는 것과 같은 많은 가능성의 시작”이라고 Pace 교수는 말했다. Pace 교수는 인공 광합성에 의해서 생산하는 많은 양의 수소 연료는 경제를 바꿔줄 수 있을 것이라고 말했다. “무탄소 회전(carbon-free cycle)은 필수적으로 무제한적으로 지속가능하다. 햇빛은 무척 풍부하고, 물은 어디에나 있다. 이 연료를 만들기 위해서 우리가 필요한 원료들이다. 그리고 그 사용 회전의 마지막에, 그것은 물로 되돌아간다”고 그는 말했다.
연구팀은 거의 모든 살이있는 유기체들에 있는, 많이 연구되었고 아주 흔한 단백질인 페리틴(Ferritin)을 변형했다. 페리틴의 보통 역할은 철을 저장하는 것이지만, 연구팀은 철을 없애고 그것을 풍부한 금속인 망간으로 대체해서, 광합성에서 물 분리 부위를 밀접하게 모방했다. 이 단백질은 또한 햄(haem) 그룹과 결합하는데, 이것을 이 연구자들은 광-감작 색소인 아연 클로린(Zinc Chorin)으로 대체했다. 그들이 변형된 페리틴에 빛을 쪼였을 때, 자연적인 광합성에서처럼 전하 이동의 명확한 암시가 있었다. 이 가능성은 올해 초에, 뇌 암으로 죽기까지 이 연구 그룹을 이끈, 선견지명이 있는 연구자였던 부교수Warwick Hillier에 영감을 주었다. "Hillier 교수는 이미 다 만들어진 인공 광합성 단백질을 만드는 유전자를 발현하도록 대장균을 변형하는 것을 상상했다. 그것은 자가-복제 시스템이 되었을 것이다—당신이 할 일은 그것에 빛을 쪼여주는 것뿐"이라고 Hingorani 박사는 말했다.
[그림] 호주국립대의 생물학연구대(Research School of Biology)에 있는 그녀의 실험실에 있는 Kastoori Hingorani 박사.
Journal Reference: Kastoori Hingorani, Ron Pace, Spencer Whitney, James W. Murray, Paul Smith, Mun Hon Cheah, Tom Wydrzynski, Warwick Hillier. Photo-oxidation of tyrosine in a bio-engineered bacterioferritin ‘reaction centre’—A protein model for artificial photosynthesis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics, 2014; 1837 (10): 1821 DOI: 10.1016/j.bbabio.2014.07.019
[원문보기]
Water and sunlight: The formula for sustainable fuel
An Australian National University (ANU) team has successfully replicated one of the crucial steps in photosynthesis, opening the way for biological systems powered by sunlight which could manufacture hydrogen as a fuel.
"Water is abundant and so is sunlight. It is an exciting prospect to use them to create hydrogen, and do it cheaply and safely," said Dr Kastoori Hingorani, from the ARC Centre of Excellence for Translational Photosynthesis in the ANU Research School of Biology.
Hydrogen offers potential as a zero-carbon replacement for petroleum products, and is already used for launching space craft. However, until this work, the way that plants produce hydrogen by splitting water has been poorly understood. The team created a protein which, when exposed to light, displays the electrical heartbeat that is the key to photosynthesis.
The system uses a naturally-occurring protein and does not need batteries or expensive metals, meaning it could be affordable in developing countries, Dr Hingorani said.
Co-researcher Professor Ron Pace said the research opened up new possibilities for manufacturing hydrogen as a cheap and clean source of fuel.
"This is the first time we have replicated the primary capture of energy from sunlight," Professor Pace said.
"It's the beginning of a whole suite of possibilities, such as creating a highly efficient fuel, or to trapping atmospheric carbon."
Professor Pace said large amounts of hydrogen fuel produced by artificial photosynthesis could transform the economy.
"That carbon-free cycle is essentially indefinitely sustainable. Sunlight is extraordinarily abundant, water is everywhere -- the raw materials we need to make the fuel. And at the end of the usage cycle it goes back to water," he said.
The team modified a much-researched and ubiquitous protein, Ferritin, which is present in almost all living organisms.
Ferritin's usual role is to store iron, but the team removed the iron and replaced it with the abundant metal, manganese, to closely resemble the water splitting site in photosynthesis.
The protein also binds a haem group, which the researchers replaced with a light-sensitive pigment, Zinc Chlorin.
When they shone light onto the modified ferritin, there was a clear indication of charge transfer just like in natural photosynthesis.
The possibilities inspired visionary researcher Associate Professor Warwick Hillier, who led the research group until his death from brain cancer, earlier this year.
"Associate Professor Hillier imagined modifying E. coli so that it expresses the gene to create ready-made artificial photosynthetic proteins. It would be a self-replicating system -- all you need to do is shine light on it," Dr Hingorani said.
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