[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 생명화학공학과 이도창 교수, 이상엽 특훈교수, 박영신 연구교수 팀이 디스플레이 소재인 양자점(퀀텀닷)을 이용해 질소 고정 박테리아의 암모니아 생산효율을 대폭 늘렸다고 16일 밝혔다.
 
질소 고정(Nitrogen Fixation)은 공기 중 질소 기체 분자(N₂)를 암모니아(NH₃) 등 질소화합물로 전환하는 과정이다.

연구팀은 양자점에 의해 흡수된 빛 에너지가 박테리아의 암모니아 합성 반응에 사용되도록 해 박테리아의 암모니아 생산량을 큰 폭으로 증가시켰고, 이를 위해 양자점을 질소고정 박테리아 안에 더 많이 넣을 수 있는 방법도 제시했다.

KAIST 생명화학공학과 고성준 박사가 제1저자로 참여한 연구 결과는 국제 학술지 '미국 화학회지(JACS)'에 표지 논문으로 선정돼 최근 출판됐다. 논문명 Light-Driven Ammonia Production by Azotobacter vinelandii Cultured in Medium Containing Colloidal Quantum Dots

질소 고정 박테리아는 질소 고정 효소를 활용, 대기 중 질소를 암모니아로 전환해 생장에 필요한 단백질을 생산한다. 이런 질소 고정 반응은 화학적 암모니아 합성법인 '하버-보슈' 공정에 비해 에너지 소비와 이산화탄소 배출이 현저하게 적다.

하지만 박테리아는 생장에 필요한 만큼만 암모니아를 생산하고 효소 구성요소인 전자 전달부와 촉매 반응부의 비효율적 상호작용으로 반응이 느려 산업적으로 활용하기 어렵다.

전자 전달부가 촉매 반응부에 전자를 공급한 뒤 반드시 탈착돼야만 촉매 반응부가 새로운 전자를 추가로 공급받아 암모니아를 생성할 수 있다.

연구팀은 문제해결을 위해 빛을 흡수하는 양자점을 박테리아의 질소 고정 반응에 전자 공급원으로 활용, 나노·바이오 복합 시스템을 구축했다.

또 연구팀은 질소 고정 효소의 전자 전달부 역할을 양자점으로 대체키 위해 양자점의 코어/셸 구조를 전자 전달에 유리하게 설계하고 양자점이 생물학적 시스템에 결합할 수 있도록 표면 화학 특성을 제어해 수(水)분산 특성을 확보했다.

이어 연구팀은 구조 및 표면이 제어된 양자점을 질소 고정 박테리아의 대사활동이 가장 활발한 성장기에 추가시켜 박테리아의 능동적인 양자점 흡수를 유도했다.
 
이렇게 제작된 양자점-박테리아 복합 시스템에 빛을 조사한 결과, 질소고정 반응 속도가 증가하며 암모니아 생산량이 대폭 증가했다.

고성준 박사는 "디스플레이 소재와 미생물의 장점을 합해 빛 에너지를 이용한 새로운 방식의 암모니아 합성법을 제시했다"며 "이번 연구를 활용한 그린 암모니아 생산 플랫폼을 구축한다면 환경 및 에너지 문제에 적극 대처할 수 있을 것"이라고 말했다.


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