- 인공광합성 개발에 기여 -

오카야마대학 대학원 자연과학연구소, 중국과학원 화학연구소, 독일 베를린 자유대학의 공동연구그룹은 광합성 물분해 반응 촉매인 Mn4CaO5 클러스터와 유사 모델 화합물을 인공적으로 합성하는데 성공하였다.

본 연구성과는 천연 촉매의 작용을 상세하게 연구하기 위한 모델 화합물을 제공하고 동시에 인공광합성의 실현에 크게 기여한 것이다. 이번에 개발된 합성화학적 방법을 개선하여 모델 화합물을 더욱 발전시킴으로써 태양광에 의한 물의 인공분해를 실현함으로써 청정하고 재생가능한 에너지원으로서의 수소연료를 제조하는 것이 가능할 것으로 기대된다.

지구 생물의 생존에 필요한 에너지와 산소는 태양광에너지와 물, 이산화탄소로부터 광합성에 의해 변환된 것이다. 광합성에서 물분해, 산소발생 반응은 조류 및 식물의 잎 중 엽록체에 있는 광화학계II 복합체라는 단백질에서 발생한다. 이 단백질 복합체 중의 Mn4CaO5 클러스터가 촉매로서 실제로 물분해, 산소발생 반응을 진행하고 있다. 본 연구팀은 지금까지 광화학계II 단백질 복합체의 고해상도 구조를 해석하여 물분해 촉매인 Mn4CaO5 클러스터가 변형된 의자형 구조라는 것을 알아내었다.

이번에 본 공동연구팀은 합성화학적 방법을 이용하여 Mn4CaO5 클러스터와 유사한 모델 화합물을 인공적으로 합성하는 데 성공하였다. 얻어진 모델 화합물은 단백질 대신에 유기화합물에 결합하고 있으며, 천연물질과 동일한 화학조성 및 변형된 의자형 구조를 가지고 있다. 그리고 인공적인 산화제에 의해 천연 촉매와 동일하게 한 전자씩 산화되어 전자스핀 공조측정에 의해 천연 촉매와 동일한 반응 중간체를 얻을 수 있는 것으로 판명되었다. 그러나 이 모델 화합물은 물을 산화시킬 수 없다. 원인은 천연의 변형된 의자형 촉매의 구조와 인공적으로 합성한 화합물 구조의 변형 위치가 다르기 때문이다. 이것은 천연촉매와 인공화합물 사이에 다른 변형부위가 물분해의 촉매활성을 발현하는 데 중요하다는 것을 나타낸다.

인공광합성 실현에는 가시광을 이용한 물분해 촉매를 인공적으로 합성하는 것이 불가결하다. 인공광합성은 인간이 직면하는 에너지문제, 환경문제의 해결에 중요한 어프로치이다. 본 연구성과는 천연촉매 반응 메커니즘을 연구하기 위해 좋은 모델시스템을 제공할 뿐만 아니라 천연촉매의 특수한 변형을 인공적으로 재현함으로써 물분해 활성을 가진 인공화합물의 합성을 실현하는 데 크게 기여하게 된다. 앞으로 물분해 인공촉매의 합성이 성공된다면 태양광과 물로부터 수소이온과 전자를 생산하는 “인공광합성”의 실현도 기대되어 수소연료를 얻는 것도 가능하다.

* 논문명: A synthetic Mn4Ca-cluster mimicking the oxygen-evolving center of photosynthesis
발표저널: Science
저자: Chunxi Zhang, Changhui Chen, Hongxing Dong, Jian-Ren Shen, Holger Dau, Jingquan Zhao

(그림 1) 물분해 천연촉매와 합성된 모델 화합물

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 5월 13일]