스웨덴 웁살라대(Uppsala University)에서 수행된 새로운 연구 결과는 이전의 연구에 기반해 전체적으로 비관적인 시각이 많음에도 불구하고 머지 않은 미래에 녹조류(green algae)를 이용해 수소 생산의 효율성을 증대시킬 수 있을 것이라는 희망을 갖게 한다. PNAS지에 오늘자(2013. 04. 15)로 게재된 이번 연구는 녹조류의 가능성에 대한 항간의 시각을 바꿔놓기에 충분했다.

많은 연구자들이 화석 연료를 재생가능한 에너지에서 만들어지는 연료로 대체하기 위해 연구를 거듭하고 있다. 오늘날, 수소(Hydrogen)는 미래의 가장 유망한 연료로 생각되고 있으며 만약 수소가 태양으로부터 직접 생산될 수 있다면, 우리는 환경친화적이고 재생가능한 에너지원을 얻을 수 있을 것이다.

태양에너지로부터 수소를 생산하는 생물학적 방법은 광합성 미생물(photosynthetic microorganism)을 이용하는 것이다. 광합성은 물을 수소 이온(hydrogen ions (H+))과 전자(electrons (e-))로 쪼갠다.

이들은 수소화효소(hydrogenase)라 불리는 특별한 효소를 이용해 수소 가스로 결합된다. 이 과정은 광합성을 이용해 태양으로부터 에너지를 이용할 수 있고 자신들의 대사 과정을 이용해 수소를 만들어내는 녹조류나 시아노박테리아(cyanobacteria)에서 발생한다.

어떤 조건 하에서 수소를 만들어내는 녹조류는 지난 15년간에 걸쳐 연구되어 왔지만, 낮은 효율성이 문제가 되어 왔다. 태양광을 이용해 물을 전자, 수소 이온, 산소로 쪼개는 효소는 광학II계(Photosystem II)에 속한다. 몇몇 연구들이 효소로부터 나오는 전자들이 특별한 조건 하에서 수소 가스를 만드는데 이용된다는 것을 보인 바 있다.

하지만, 또 다른 몇몇 연구에서는 이러한 과정에서 생성되는 대부분의 수소 가스는 녹조류의 대사에 있는 또 다른 경로로부터 유래한다는 것을 보여주고 있다. 이러한 사실들은 이들이 태양광으로부터 수소를 직접적으로 생산하는데 있어서 중요하지 않을지도 모르고, 녹조류들이 다른 식물들에 비해 에너지 작물로 효과적이지 못할 수도 있다는 것을 의미한다.

이에 웁살라대의 Fikret Mamedov와 Stenbjorn Styring이 이끄는 연구팀이 조류로부터의 수소 생산에 대한 시각에 변화를 줄 수 있는 새로운 사실들을 발견할 수 있었다. 이 연구에서 연구자들은 녹조류인 Chlamydomonas reinhardtii의 서로 다른 두 균주에서 광학II계가 어떻게 작용하는 지를 자세하게 연구했다.

광학II계의 활성이 서로 다른 조건에서 얼마나 달라질 수 있고 이들이 수소 생산에 어떤 영향을 주는지를 연구함으로써, 연구자들은 광학II계에서 흡수되는 에너지의 상당량이 수소 가스 생산으로 직접 이용된다는 것을 입증할 수 있었다.

이에 대해 이번 연구를 이끈 Stenbjorn Styring 박사는 “수소 가스를 만들어내는 수소화효소가 필요로 하는 전자들의 거의 80% 가량은 광학II계로부터 발생하는 것이며 이는 이전에 알려진 것보다 상당히 많다. 이번 발견은 우리에게 녹조류를 이용한 연료 생산의 효율이 오늘날에 진행되고 있는 연구에 비해 크게 증가할 수 있다는 희망을 안겨주고 있다”고 말했다.

광학II계(Photosystem II)란 고등식물과 조류의 광합성반응에서는 2종의 광화학반응(광화학계Ⅰ과 Ⅱ)이 작용하여, 물을 분해하고 산소를 발생시키며, 광화학계Ⅰ에 전자를 공급하는 반응계를 말한다.

 

이 계는 광화학반응을 하는 반응중심단백질, 광을 포착하는 색소단백질, 전자전달을 하는 퀴논, 만강 등이 모인 기능단위로서 엽록체(남조에서는 세포) 내 막상에 산재해 있다.

 

 

 

 

New research results from Uppsala University, Sweden, instill hope of efficient hydrogen production with green algae being possible in the future, despite the prevailing scepticism based on previous research. The study, which is published today in the journal PNAS, changes the view on the ability of green algae.

The world must find a way of producing fuel from renewable energy sources to replace the fossil fuels. Hydrogen is today considered one of the most promising fuels for the future and if hydrogen can be produced directly from sunlight you have a renewable and environmentally friendly energy source.

One biological way of producing hydrogen from solar energy is using photosynthetic microorganisms. Photosynthesis splits water into hydrogen ions (H+) and electrons (e-). These can later be combined into hydrogen gas, (H2) with the use of special enzymes called hydrogenases. This occurs in cyanobacteria and green algae, which have the ability to use energy from the sun through photosynthesis and produce hydrogen through their own metabolism.

That green algae can produce hydrogen under certain conditions has been known and studied for about 15 years, but low efficiency has been a problem, i.e. the amount of energy absorbed by the algae that is transformed into hydrogen. One enzyme that has the ability to use sunlight to split water into electrons, hydrogen ions and oxygen is Photosystem II.

Several studies have shown that some of the electrons from the enzyme are used to produce hydrogen gas under special conditions. But some have stated that most of the hydrogen gas gets its energy from other paths in the metabolism of the green algae. This would entail that it is not a matter of actual direct production of hydrogen from sunlight, and that green algae are no more efficient as energy crops than plants.

A group of researchers at Uppsala University, led by Senior Lecturer Fikret Mamedov and Professor Stenbjorn Styring, have now made a discovery that changes the view on hydrogen production from green algae. The researchers studied in detail how Photosystem II works in two different strains of the green algae Chlamydomonas reinhardtii.

By measuring exactly how the amount and activity of Photosystem II varies under different conditions, and thereby affects hydrogen production, they found that a considerable amount of the energy absorbed by Photosystem II goes directly into hydrogen production.

"As much as 80 per cent of the electrons that the hydrogen-producing hydrogenases need come from Photosystem II, which is much more than previously believed. This means that most of the hydrogen production is driven directly by solar energy.

The discovery gives us hope that it in the future will be possible to control the green algae so that the efficiency becomes significantly higher than it is today", says Professor Stenbjorn Styring.