광합성 전자 추출, 나노전극 시스템 개발 향후 바이오-태양광 하이브리드 기술 연계 가능성 높여 식물세포는 고효율 에너지 변환과정인 광합성을 통해 태양 에너지를 100%에 가까운 효율로 광에너지를 전기화학적 에너지로 변환한다. 이러한 광합성에서 광합성전자가 생성되며 일반적으로 식물세포의 생장 및 대사에 사용되거나 탄수화물로 저장된다. 높은 에너지 변환 효율을 가진 광합성 과정에서 전기 에너지를 추출하고자 하는 연구가 활발하다. 특히, 광에너지가 탄수화물로 저장되기 이전에 광합성 전자의 형태로 직접 추출하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 엽록체(chloroplasts) 안에 들어 있는 틸라코이드 막 (thylakoid membrane)이나 광계 I (photosystem I) 등의 광합성 기구 (photosynthetic apparatus)를 추출해 바이오-태양전지의 개념으로 발전시키는 연구가 한창이지만 엽록체 추출물을 이용하는 시스템들은 추출된 광합성 기구들의 안정성이 떨어지고, 물이 아닌 추가적 전자 전달체를 필요로 하거나, 전기화학적 매개체 (mediators)를 필요로 하는 등의 한계점을 갖고 있다.미래창조과학부(장관 최양희)는 식물세포의 광합성 과정에서 생성된 광합성 전자를 추출하는 나노전극 시스템을 개발해 에너지 변환을 통해 전기추출 효율을 높인 방법을 개발했다고 밝혔다.류원형 교수(연세대학교) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구) 및 글로벌프론티어사업 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 재료공학 분야에서 세계적인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스에 9월 14일자로 게재됐다.연구팀은 이전 연구에서 원자력 현미경에 부착된 나노 전극을 식물세포 안으로 삽입해 광합성 과정 중 전류 추출이 가능함을 보여주었다. 그러나 대상이 단일 식물세포로 국한이 돼 있어, 얻을 수 있는 전류의 양이 현저히 적었으며 실험 조건이 까다로워 실용화가 어려운 기술이었다.다른 연구에서는 엽록체 내부의 구성 요소인 세포막(틸라코이드)이나 세포막에 있는 단백질 인자인 광계와 같은 광합성 인자를 통해 전류를 추출했다. 그러나 추출된 인자들은 광합성 기능이 점차 상실돼 장기간 전류 추출이 불가능했다. 또한 전자를 전달하기 위한 추가적인 전기화학적 매개체가 필요하므로 전체 에너지 추출 효율이 떨어졌다.이에 연구팀은 살아있는 다수의 조류세포 자체를 이용해 광합성으로 발생한 전자를 추출하고, 광합성 기능의 안정성도 도모하는 대면적화가 가능한 나노 전극 시스템을 개발했다. 연구팀은 다수의 식물세포 안에 전극을 동시에 삽입하기 위해 실리콘 기반의 나노 스케일 전극 기판을 제작했다. 이곳에 다수의 식물세포를 삽입하면 나노 스케일의 전극 역시 동시에 삽입이 돼, 다수의 식물세포로부터 광합성 전자를 일괄 추출할 수 있다. 이는 향후 넓은 면적으로 제작된 전극을 이용한 대량 광합성 전자 추출 시스템을 만들 수 있는 기반을 마련한 셈이다.살아있는 세포 자체를 이용하기에 세포 환경이 그대로 유지가 돼, 추출 과정 중 광합성 기능이 안정적으로 유지될 수 있다. 이는 초기 전류 추출 시 효율이 장시간 동안 유지된다는 것이다. 또한 전기화학적 매개체가 별도로 필요하지 않아 전자추출 효율이 높아졌다. 류 교수는“이번에 개발한 시스템은 최근 환경 문제로 대두된 녹조류 세포를 이용한 새로운 개념의 바이오-태양광 에너지 변환 기술”이라며 “해당 기술의 개발은, 광합성 전류 추출의 실용화 가능성을 보여준 연구이며 나아가 새로운 바이오-태양광 하이브리드 에너지 변환 기술로의 발전 가능성도 보여준다.”며 이번 연구의 중요성과 의의를 밝혔다.한편 이번 연구는 식물 조류세포의 광합성 과정에서 높은 효율로 전기 에너지를 장시간 추출하는 것이 가능함을 보여주었다. 광합성 전류의 추출 시스템이 실용적 기술로 개발이 가능함을 보여준 것으로 녹조 현상과 같은 환경 문제가 대두되고 있는 요즈음, 녹조류를 하나의 에너지 자원으로 활용할 수 있는 새로운 해결책이 될 수 있다는 기대감을 불러 일으키고 있다.빠르게 변성되는 추출 광합성 인자의 한계점을 극복하고자 살아있는 식물세포 자체를 이용한 이 기술은, 향후 바이오-태양광 하이브리드 기술로써 신재생 에너지 분야의 새로운 대안이 될 것으로 보인다.

광합성 전자 추출, 나노전극 시스템 개발

향후 바이오-태양광 하이브리드 기술 연계 가능성 높여

기사입력 2016-09-27 16:06:47

[산업일보]
식물세포는 고효율 에너지 변환과정인 광합성을 통해 태양 에너지를 100%에 가까운 효율로 광에너지를 전기화학적 에너지로 변환한다. 이러한 광합성에서 광합성전자가 생성되며 일반적으로 식물세포의 생장 및 대사에 사용되거나 탄수화물로 저장된다. 높은 에너지 변환 효율을 가진 광합성 과정에서 전기 에너지를 추출하고자 하는 연구가 활발하다. 특히, 광에너지가 탄수화물로 저장되기 이전에 광합성 전자의 형태로 직접 추출하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

최근에는 엽록체(chloroplasts) 안에 들어 있는 틸라코이드 막 (thylakoid membrane)이나 광계 I (photosystem I) 등의 광합성 기구 (photosynthetic apparatus)를 추출해 바이오-태양전지의 개념으로 발전시키는 연구가 한창이지만 엽록체 추출물을 이용하는 시스템들은 추출된 광합성 기구들의 안정성이 떨어지고, 물이 아닌 추가적 전자 전달체를 필요로 하거나, 전기화학적 매개체 (mediators)를 필요로 하는 등의 한계점을 갖고 있다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 식물세포의 광합성 과정에서 생성된 광합성 전자를 추출하는 나노전극 시스템을 개발해 에너지 변환을 통해 전기추출 효율을 높인 방법을 개발했다고 밝혔다.

류원형 교수(연세대학교) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구) 및 글로벌프론티어사업 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 재료공학 분야에서 세계적인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스에 9월 14일자로 게재됐다.

연구팀은 이전 연구에서 원자력 현미경에 부착된 나노 전극을 식물세포 안으로 삽입해 광합성 과정 중 전류 추출이 가능함을 보여주었다. 그러나 대상이 단일 식물세포로 국한이 돼 있어, 얻을 수 있는 전류의 양이 현저히 적었으며 실험 조건이 까다로워 실용화가 어려운 기술이었다.

다른 연구에서는 엽록체 내부의 구성 요소인 세포막(틸라코이드)이나 세포막에 있는 단백질 인자인 광계와 같은 광합성 인자를 통해 전류를 추출했다. 그러나 추출된 인자들은 광합성 기능이 점차 상실돼 장기간 전류 추출이 불가능했다. 또한 전자를 전달하기 위한 추가적인 전기화학적 매개체가 필요하므로 전체 에너지 추출 효율이 떨어졌다.

이에 연구팀은 살아있는 다수의 조류세포 자체를 이용해 광합성으로 발생한 전자를 추출하고, 광합성 기능의 안정성도 도모하는 대면적화가 가능한 나노 전극 시스템을 개발했다.

연구팀은 다수의 식물세포 안에 전극을 동시에 삽입하기 위해 실리콘 기반의 나노 스케일 전극 기판을 제작했다. 이곳에 다수의 식물세포를 삽입하면 나노 스케일의 전극 역시 동시에 삽입이 돼, 다수의 식물세포로부터 광합성 전자를 일괄 추출할 수 있다. 이는 향후 넓은 면적으로 제작된 전극을 이용한 대량 광합성 전자 추출 시스템을 만들 수 있는 기반을 마련한 셈이다.

살아있는 세포 자체를 이용하기에 세포 환경이 그대로 유지가 돼, 추출 과정 중 광합성 기능이 안정적으로 유지될 수 있다. 이는 초기 전류 추출 시 효율이 장시간 동안 유지된다는 것이다. 또한 전기화학적 매개체가 별도로 필요하지 않아 전자추출 효율이 높아졌다.

류 교수는“이번에 개발한 시스템은 최근 환경 문제로 대두된 녹조류 세포를 이용한 새로운 개념의 바이오-태양광 에너지 변환 기술”이라며 “해당 기술의 개발은, 광합성 전류 추출의 실용화 가능성을 보여준 연구이며 나아가 새로운 바이오-태양광 하이브리드 에너지 변환 기술로의 발전 가능성도 보여준다.”며 이번 연구의 중요성과 의의를 밝혔다.

한편 이번 연구는 식물 조류세포의 광합성 과정에서 높은 효율로 전기 에너지를 장시간 추출하는 것이 가능함을 보여주었다. 광합성 전류의 추출 시스템이 실용적 기술로 개발이 가능함을 보여준 것으로 녹조 현상과 같은 환경 문제가 대두되고 있는 요즈음, 녹조류를 하나의 에너지 자원으로 활용할 수 있는 새로운 해결책이 될 수 있다는 기대감을 불러 일으키고 있다.

빠르게 변성되는 추출 광합성 인자의 한계점을 극복하고자 살아있는 식물세포 자체를 이용한 이 기술은, 향후 바이오-태양광 하이브리드 기술로써 신재생 에너지 분야의 새로운 대안이 될 것으로 보인다.

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이상미 기자 sm021@kidd.co.kr

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