뮌헨 공과대학교 연구진이 태양열을 이용해 이산화탄소와 재생 가능한 수소를 아미노산으로 전환하는 시스템을 개발했습니다. 이 공정은 모듈식 효소 기반 시스템으로, 현재 개념 증명 단계에 있으며 아직 상용화 단계는 아닙니다. 하지만 이 시스템은 재생 가능한 전력 생산, 탄소 포집, 생화학 물질 생산이 하나의 통합된 시스템으로 작동할 수 있음을 보여줍니다.
효소 시스템의 작동 원리
이 과정은 여러 단계로 진행됩니다. 먼저 재생 가능한 전기를 전기분해하여 수소를 생산합니다. 이 수소는 이산화탄소와 결합하여 메탄올을 만듭니다. 그런 다음 특수 효소가 메탄올을 일련의 반응을 거쳐 단백질의 기본 구성 요소인 아미노산으로 전환합니다.
연구팀은 이 설계를 "플러그 앤 플레이" 방식이라고 설명합니다. 효소 모듈은 목표 화합물에 따라 교체하거나 조정할 수 있습니다. 최신 버전은 7가지 아미노산을 생성합니다. 이전 연구에서는 L-알라닌만을 생성하는 방법을 시연했습니다. 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표된 이번 연구에서는 글리신, 세린, L-아스파르트산, L-발린, L-글루탐산, L-프롤린을 추가했습니다.
뮌헨공과대학교 생물자원화학과 박사 연구원인 빅토리아 레만은 아미노산이 동물의 단백질 요구량을 보충하기 위해, 특히 유제품 생산에 널리 사용된다고 말했습니다. 그녀는 기존 생산 방식이 너무 많은 자원을 소비한다고 지적했습니다.
TUM 연구팀은 시급한 농업 문제를 배경으로 연구를 진행합니다. 유엔의 예측에 따르면 전 세계 식량 수요는 2050년까지 약 60% 증가할 수 있지만, 같은 기간 동안 가용 농지는 미미하게 증가할 것으로 예상됩니다.
식량 안보 상황
이러한 격차로 인해 토지, 물, 에너지 집약적인 작물에 덜 의존하는 단백질 공급망에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 기존의 아미노산 생산 방식은 이러한 요소들을 상당량 소비합니다. 태양열을 이용한 이산화탄소 기반 생산 방식은 적어도 원칙적으로는 이러한 투입 요소에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다.
생물자원 화학 교수이자 뮌헨공과대학교 슈트라우빙 캠퍼스 총장인 폴커 지버는 이 프로젝트가 햇빛을 화학 에너지 운반체로 전환한 후 유용한 단백질 구성 요소로 변환하는 기술이라고 설명했습니다. 그는 이러한 접근 방식이 장기적으로 가용 토지의 생산성을 향상시키고 보다 지속 가능한 아미노산 생산을 지원할 수 있을 것이라고 말했습니다.
이러한 주장들은 대규모 검증이 필요합니다. 연구진들은 현재의 생산량이 상업적 활용에는 너무 낮다는 점을 인정합니다.
TUM 연구팀은 가축 영양을 넘어선 활용 가능성을 모색하고 있습니다. 현재 시스템에서 생산되는 7가지 아미노산은 배양육 생산을 위한 영양 배지의 핵심 성분이기도 합니다. 이러한 활용 사례는 단백질 공급에 필요한 토지 사용량을 줄이기 위한 별개의 노력과 이 기술을 연결시켜 줍니다.
동물 사료 이외의 잠재적 응용 분야
연구진은 동일한 플랫폼이 궁극적으로 다른 CO₂ 기반 가치 사슬을 지원할 수 있을 것이라고 믿지만, 발표된 자료에서는 구체적으로 어떤 가치 사슬을 지원하는지는 밝히지 않았습니다.
당면한 기술적 우선순위는 효소 성능 향상입니다. 수율은 여전히 가장 큰 제약 조건입니다. 실험실 수준의 시연과 산업 공정 간의 격차는 상당하며, 연구팀은 이러한 격차에 대해 솔직하게 인지하고 있습니다.
연구 결과가 보여주는 것과 보여주지 않는 것
이것은 합성생물학 시연입니다. 화학적 경로가 실현 가능하다는 것을 보여주는 것이지, 비용 경쟁력 있는 규모로 아미노산을 생산할 수 있다는 것을 보여주는 것은 아닙니다.
Nature Communications 논문이 가장 신뢰할 수 있는 주요 출처입니다. TUM은 상업 파트너나 시범 공장을 발표하지 않았으며, 규모 확대를 위한 일정 또한 공개되지 않았습니다.
대체 단백질 분야에 관심을 갖는 투자자와 정책 입안자들에게 이 연구는 특히 주목할 만한 가치가 있습니다. 재생 에너지, 직접 공기 탄소 이용, 정밀 발효 관련 생화학이라는 세 가지 개별 기술 분야를 하나의 생산 공정으로 통합했기 때문입니다. 이 세 분야는 이미 각각 상당한 자본 투자를 유치하고 있습니다. 이 세 가지 기술을 통합한 시스템이 생산량을 크게 향상시킨다면 사료 및 식품 제조업체의 아미노산 공급 경제성을 혁신적으로 바꿀 수 있을 것입니다.
연구진들은 자신들의 주장에 신중한 태도를 보입니다. 이 연구는 현대 식품 시스템이 의존하는 원료를 생산하는 데 있어 토지 의존도를 낮추는 방법을 제시합니다. 이러한 공정의 산업적 적용 가능성은 현재 과학 기술보다 앞서 있는 효소 공학의 발전에 달려 있습니다.
