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기사입력 : 2023.04.02 14:14
[동포투데이 김현나 기자] 최신 발견! 공기도 ‘전기를 생성’할 수 있다는 연구 결과가 나왔다.
1일, 외신에 따르면 공기도 전기에너지로 바뀔 수 있다는 최신 연구 결과가 학술지 ‘네이처’에 발표됐다.
특정 과정을 보면 공기는 에너지원으로 전환할 수 있는 효소이며 수소를 전류로 전환할 수 있다는 것이다.
또한 이 효소는 천연으로 대기보다 낮은 수소를 소비할 수 있으며 인간이 호흡하는 공기의 0.00005%까지 낮다는 것이다.
게 껍질과 폐지를 사용하여 배터리를 만드는 것과 비교하면 이 천연 배터리 효소는 공기에서 전기에너지를 얻을 수 있으며 의심할 여지 없이 에너지 장비에 대한 새로운 아이디어를 열었다고 할 수 있다.
공기도 ‘발전’할 수 있는 최신 성과를 낸 네이처 호주 멜버른 모나쉬 대학 생물의학 발견연구소 크리스 그리닝 교수와 학생 애슐리 크롭이 이 효소를 발견해 ‘네이처’지에 발표했다.
이 효소는 매우 효율적이고 상용화될 수 있으면 미래의 일부 소형 전자 장치는 공기에 의해 직접 구동될 수 있다는 것이 증명되었다.
1. 천연 전지 효소
사실 사람들은 미량의 수소를 에너지로 전환할 수 있는 박테리아가 있다는 것을 오랫동안 알고 있었지만 이러한 미생물은 일반적으로 남극 토양, 분화구 또는 심해에서 발견되곤 한다.
또 이 생물이 어떻게 에너지를 생산하는지 그동안 불분명했지만, 이번 연구에서 호주 연구팀이 그 이유를 설명했다. 이들은 ‘M.smegmatis’라는 토양세균에서 수소 소모 효소(Huc)를 분해해 첨단기술의 도움으로 수소 전환의 분자 청사진을 해독했다.
공기 중의 미량 수소를 에너지원으로 사용하여 박테리아의 성장과 생존을 도울 수 있는 것이 바로 이 효소이다.
Huc 효소는 일반 화학 촉매와 달리 매우 효율적이며 반응 과정에서 Huc 효소가 소비하는 수소는 대기 수준보다 훨씬 낮기에 희박한 공기에서 수소 함량이 매우 적더라도 에너지를 생성할 수 있는 것이다.
호주 연구팀은 농축된 효소를 장기간 보관할 적절한 방법을 찾지 못했지만 Huc에서 매우 안정적인 구조를 가지고 있다는 것을 발견했다.
빙점보다 낮고 섭씨 80도까지 높은 환경에 두어도 분자의 에너지 생성이 제한되지 않으며 공기 중의 미량 수소와 만나는 한 Huc 효소는 지속적인 전류를 생성한다.
따라서 전류를 생성하는 단계는 매우 간단하며 두 단계만 필요하다.
먼저 토양 박테리아에서 Huc 효소를 분해한 다음 Huc 효소가 공기 중의 수소와 반응하여 전류를 생성하는 것이다.
그러면 문제가 생겼는데 Huc 효소는 어떻게 선택됐을까?
호주 연구팀은 ‘M. smegmatis’에서 산화되는 구조를 분해한 결과 이 박테리아에는 Huc와 Hy의 두 가지 수소화 효소가 있었으며 두 효소 모두 수소를 대기압 이하로 산화시킬 수 있음을 발견했다.
연구팀은 저온 전자 현미경으로 원자 구조와 전기 경로를 결정하고 한계를 돌파하여 지금까지 이 방법에 의해 보고된 가장 분해능이 높은 효소 구조를 생성하도록 했다.
Huc는 대기 중의 수소 산화를 호흡 전자 운반체 메나디온의 수소화와 결합할 수 있는 매우 민감한 효소인 것으로 밝혀졌다. HucS 서브 유닛의 염색체에 의해 암호화된 Strep-tag II를 사용하여 ‘M. smegmatis’에서 Huc를 분리했으며, SDS-PAGE에 의해 HucL(약 58kDa), HucS-2x Strep(약 39kDa) 및 세 번째 알려지지 않은 서브 유닛(약 18kDa)에 해당하는 3개의 단백질 서브 유닛으로 구성되었음을 보여주었다.
연구원들은 니트로블루 테트라자졸(NBT)을 전자 수용체로 사용하여 주변 공기에서 3~100ppm의 H2를 산화시키는 정제된 Huc의 능력을 테스트했으며 Huc는 가스크로마토그래피의 검출 한계(약 40ppbv)보다 빠르게 H2를 소비했다.
이는 산화대기 중 H2에 적응할 수 있음을 의미하며, 높은 친화도(Km = 129 nM)와 낮은 H2 임계값(<31 pM)을 갖지만 회전 속도가 느리며, 이는 효소가 낮은 H2 농도에서도 매우 효과적임을 시사했다.
특수 현미경에서 Huc의 분자 모양은 네 잎 클로버와 유사하며 손잡이와 같은 돌출부를 통해 막 소포와 연결된다. 또한, 그들은 관찰에서 Huc가 78.3°C의 용융 온도에서 매우 안정적인 적갈색임을 발견했다.
수소와의 반응 과정에서 Huc는 대기압보다 낮은 농도에서 수소를 산화시킬 수 있고 산소를 크게 억제할 수 있는 ‘불안정성’을 나타냈다. 즉 Huc는 수소에 매우 민감하고 산소가 활성 병목 현상에 들어가는 것으로 되고 있었다.
2. 실제 가치는 무엇인가?
사실, 이전부터의 연구에 따르면 대기 중의 H2를 성장과 생존을 위한 에너지원으로 사용하는 다양한 호기성 박테리아가 전 세계적으로 존재한다는 것이 밝혀졌다.
그러나 대부분의 경우 이러한 효소는 가역적이거나 비가역적으로 억제되기 쉽다.
호주 학자들이 이번에 발견한 Huc 효소는 더 안정적이며 특정 상황에서 특정 상업적 가치가 있는 것이다.
현재 일반적인 발전 방식은 수력발전과 화력발전으로, 즉 발전 동력 장치를 사용하여 수력, 화석 연료의 열에너지, 원자력 및 태양 에너지, 풍력, 지열 에너지, 해양 에너지 등을 전기에너지로 변환하는 것이다.
현재 대부분의 국가는 화력발전을 위주로 하고 있으며, 전체 발전에서 화력 발전량이 차지하는 비중은 70% 이상이다.
예를 들어 일본과 독일의 화력발전 비중이 60% 이상이고, 노르웨이와 스위스의 수력 발전량이 전체 발전량의 약 90%를 차지하며, 캐나다가 70%를 넘고, 스웨덴도 60%를 넘는다. 또 핀란드와 유고슬라비아는 수력과 화력 발전량이 절반씩이며, 프랑스는 원전을 위주로 발전량이 70% 이상을 차지한다.
20세기 말에는 화석 연료를 많이 사용했지만 대부분 재생 불가능한 자원이었고 사회가 발전하는 과정에서 전기에너지가 점점 더 많이 사용되었고 사람들은 전기를 생산하기 위해 재생 가능한 자원을 많이 사용했다.
전기에너지를 생산하기 위한 천연 및 재생 가능한 자원을 찾는 것은 지속 가능한 개발 프로젝트로 호주 팀은 천지 배터리 개발에 전념할 뿐만 아니라 해조류에서 전류를 개발하는 방식, 즉 해조류의 광합성과 생물 광전 화학 셀을 결합하여 이 기술로 발생하는 전류는 놀랍게도 표준 태양열 수집기 기술로 얻은 전류와 맞먹고 있다.
많은 과학자도 ‘폐기물을 전기로 바꾸는 좋은 방법’을 찾고 있다. 충전 속도가 4배 증가한 실리콘 배터리, 목제 배터리, 과일 발전 등은 모두 배터리 비용을 줄이고 더 빠른 충전 방식을 찾기 위한 것으로 된다.
‘천연 배터리’로서 Huc는 수소와 함께 지속적인 전류 출력을 달성할 수 있을 가능성이 크다. 현재 연구 진행 상황은 아직 초기 단계이지만 향후 Huc가 시계나 스마트폰과 같은 소형 공기압력 장치 개발의 기초로 사용될 수 있음을 확인할 수 있다.
그러나 이것만으로는 충분하지 않으며 연구팀은 분자를 구체적으로 변경하고 박테리아 게놈을 수정하면서 Huc 효소의 생산 규모를 확장한 다음 엔지니어와 협력하여 생성된 전기에너지를 사용하여 작동하는 장비를 설계하여 Huc 효소의 최대 이점을 발휘할 수 있기를 희망하고 있다.
또한 Huc는 소량의 수소에서 전자 방출이 가능하기 때문에 Huc 효소는 민감한 측정 시스템이 될 수 있는 것이다.
그러나 수소 에너지 회사를 창업한 로버트 윌로스 맥코리대 교수는 희박한 공기에서 에너지를 발생시킨다는 생각은 비현실적이라며 적은 양의 전류를 흘려보낼 수는 있지만 이는 극히 적은 양의 에너지를 필요로 하는 것에 적용하기에는 너무 비효율적이라는 이유를 들었다.
앞으로 Huc의 기능이 어느 정도까지 개발될지는 확실하지 않지만, 북서풍을 마시면 확실히 충전할 수 있다는 것만은 부인할 수 없는 한 가지 사실이다.
