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중국, 세계 최초로 실험실에서 전분을 합성

편집/기자: [ 정현관 ] 원고래원: [ 吉林日报彩练 ] 발표시간: [ 2021-09-25 16:18:12 ] 클릭: [ ]

식량을 토지에서 재배하지 않고 작업장에서 직접 생산한다. 오늘날, 이 어불성설처럼 보이는 상상이 가능해 지고 있다.

일전에 중국과학원 천진공업생물기술연구소(이하천진공업생물소'라 략함)는 전분의 인공 합성에서 중대하고 획기적인 진전을 이룩하여 국제적으로 처음 실험실에서 이산화탄소를 전분으로 합성하는 과정을 실현했다. 이 성과는 북경 시간 9월 24일에 온라인으로 국제 학술지 《사이언스》에 발표되였다.

“이는 우리가 수요되는 전분은 앞으로 이산화탄소를 원료로 맥주를 생산하듯이 작업장에서 생산할 수 있다는 뜻이기도 하다.”고 천진공업생물소 소장 마연화가 말했다.

중국과학원 천진공업생물기술연구소 채도 부연구원이 실험실에서 인공 합성 전분 샘플을 보여주고 있다.(9월 16일)

이산화탄소를 환원시켜 메탄올을 생성하고 다시 전분으로 전환한다.

전분은 인류 식량의 가장 중요한 성분이자 동시에 중요한 공업 원료이다. 현재 전분은 주로 농작물의 광합성을 통해 태양에너지, 이산화탄소, 물을 전분으로 전환한다.

오랜동안, 과학연구 인원들은 광합성의 과정을 개선하여 이산화탄소와 태양광 에너지의 리용률을 높여 궁극적으로 전분의 생산률을 높이려고 노력을 해왔다.

이번 천진공업생물소의 과학연구원들은 이산화탄소와 전기분해로 생성된 수소를 리용해 전분을 합성하는 인공 과정을 성공적으로 개척했다. 이 과정은 11개 단계의 핵심적인 생화학 반응을 다루고있는데 전분의 합성률은 옥수수의 전분 합성률보다 8.5배 높다.

에너지 측면에서 볼 때, 광합성의 본질은 태양에너지를 전분 속에 저장된 화학에너지로 전환시키는 것이다. 따라서 태양에너지를 효률적으로 화학에너지로 전환시키고 저장하는 것이 핵심이다.

우리는 태양에너지-전기에너지-화학에너지로 에너지가 전환되는 방식을 생각했다." 고 하면서 천진공업생물소 왕흠굉 부소장은 우선 태양광 발전으로 태양에너지를 전기에너지로 전환시키고 다음 태양광 전기를 가수분해하여 수소를 만들었다. 그리고 촉매를 리용해 수소로 이산화탄소를 환원하고 메탄올을 생성하였으며 전기에너지를 메탄올에 저장된 화학에너지로 전환시켰다. 이 과정에서 에너지 전환률은 10%를 초과하는데 광합성 작용보다 어네지 리용률이 훨씬 높다."고 말했다.

자연계에는 메탄올로 전분을 형성하는 생명 과정이 존재하지 않는다. 왕흠굉은 이 과정을 인공적으로 구현하려면 자연계에 원래 존재하지 않는 효소 촉매를 만드는 것이 관건이다."고 말했다.

과학자들은 동물, 식물, 미생물 등 31개 부동한 종에서 62개 생물 효소 촉매를 발굴하고 개조하여 최종적으로 10개의 효소를 사용하여 점차적으로 메탄올을 전분으로 전환시켰다. 이 과정에는 소화하기 쉬운 아밀로펙틴 뿐만 아니라 소화가 느리고 혈당 상승이 느린 아밀로스도 합성할 수 있었다.

가까운 앞날에 농사를 짓지 않고 탄수화물에 대한 수요를 만족시킬 수 있을 것이다."고 왕흠굉이 말했다.

인공합성의 길에서 도약식 돌파를 실현

식물의 광합성에 의존하지 않고 탄수화물을 인공적으로 합성하는 것은 세계 각국 과학자들의 꿈이다. 예전에 중국인 과학자 양배동과 그의 연구팀은 폴리오스 반응을 리용하여 이산화탄소를 여러 단당류 혼합물로 전환하는 데 성공했다.

천진공업생물연구소 부연구원 채도는 “하지만 이 연구팀은 복잡한 탄수화물을 인공적으로 합성하지 못했다.”고 말하면서 “다시 말해 이 연구팀의 연구방향은 여러 종류의 단당류 화합물의 혼합물로 정확한 표적물을 합성하지 못했다.”고 말했다.

전문가의 소개에 따르면 전분의 고효률적인 인공 합성을 실현하기 위한 도전은 주요하게 저밀도의 태양에너지에서 고밀도의 태양에너지와 수소에너지로, 저농도 이산화탄소에서 고농도의 이산화탄소로, 복잡한 합성과정에서 간단한 합성과정 등 3개 면에서 구현된다. 앞서 많은 과학연구 일군들의 노력끝에 처음 두문제는 기본상 해결되였다.

이번, 우리는 주로 인공합성 과정을 구축하는 면에서 도약적인 돌파를 이루었다."고 마연화가 말했다.

그는 다음과 같이 소개했다. 첫째, 인공 합성이라는 진화의 한계를 넘어섰다. 부동한 래원과 부동한 유전의 배경을 가지고 있는 생물 촉매간의 열력학과 동력학 비매칭 등 한계를 극복했고 이산화탄소에서 전분으로 탄소의 전환률과 효률이 선명하게 제고 되였다. 둘째, 가상과 현실이라는 한계를 넘어섰다. 연구팀은 계산기를 리용하여 여러개의 합성과정을 설계했고 여러 부분에 대한 조립과 적절한 배합을 통해 조건에 부합되는 합성 과정을 추출했고 인공 전분의 합성을 실현했다.

“분석감정을 거쳐 우리가 합성한 전분 샘플은 성분이나 리화학적 성질에서 모두 자연적으로 만들어진 전분과 같았다.”고 채도가 말했다

과학연구팀의 소개에 따르면 충족한 에너지가 공급되는 조건에서 현재 기술변수의 추산을 따른다면 리론상에서 1립방메터 크기의 생물반응기가 일년에 합성하는 전분의 수량은 우리 나라 5무의 땅에서 재배하는 옥수수의 평균 합성량과 맞먹는다.

마연화는 “이 성과는 전분의 생산이 전통적인 농업 재배에서 공업 생산으로 전환하는 것을 가능하게 했고 이산화탄소 원료로 복잡한 분자를 합성하는 새로운 기술 과정을 개척했다.”고 말했다.

과학연구의 조직 모식을 혁신하고 부동한 기능을 가진 팀들이 협동하여 난관을 돌파

전문가의 예측에 따르면 만약 미래에 이 시스템에 사용되는 성본이 농업 재배와 비교할 수 있는 수준까지 감소된다면 이 시스템으로 90% 이상의 경작지와 담수자원을 절약할 수 있고 농약과 화학비료 등 자연환경에 주는 부정적인 영향을 피면할 수 있으며 인류의 량식안전 수준을 제고하고 탄소 중화와 생물 경제의 발전을 촉진시킬 수 있다.

중대한 독창적인 돌파의 이면에는 과학연구팀의 다년간의 노력과 견지가 있는 외에 과학연구 모식에 대한 혁신의 공도 아주 크다.

천진공업생물소는 2015년부터 전분의 인공 합성과 이산화탄소의 생물 전환과 리용에 초점을 맞추고 수요 지향적인 과학기술 난관공략을 전개하였으며 국내외 혁신 자원을 집결하여 ‘과학-임무-플래트홈’의 통합을 강화하고 각 측의 과학연구 력량을 유기 결부시키고 고효률적 협동을 실현했다. 연구소는 연구 대상의 수요에 따라 인재를 배치했다. 당초부터 평균 나이가 30주세인 우수한 청년 과학자들을 조직해 연구팀을 구성했다.

전통적인 과학연구 모식은 일반적으로 과제조를 단위로 진행하며 우세는 한개 분야에 집중할 수 있는 장점이지만 모든 연구 대상이 모두 이런 모식에 적합한 것은 아니다.

마연화은 “례를 들면 우리의 이 연구 대상은 연구 분야와 연구 방향이 서로 교차되는 사업이다. 이는 서로 다른 전문성을 구비한 인원과 전문팀을 조직하여 서로 협동, 합작해야만이 완성할 수 있다. 전통적인 연구 모식은 이 연구 대상에 적합하지 않다.”고 말했다.

연구 대상의 특점에 따라 연구소는 새로운 과학연구 조직 모식을 설립했는데 바로 3차원 관리모식이다.“3차원 관리모식은 구체적으로 말해 연구소에서 통일적으로 경비를 지불하고 총제적 연구부 그리고 연구조와 플래트홈을 설립하는 것이다.”고 채도가 말하면서 “총체적 연구부는 연구 대상의 행렬관리를 책임지고 연구조는 연구 대상의 분야와 방향 및 과학 분포에 따라 설치된 특색 학과조를 말하며 전공에 따른 분공을 실현했다. 플래트홈 실험실은 연구 대상에 설비방향을 제공하는 것을 책임진다.”고 전했다.

채도는 “이런 모식에서 어느 단계의 목표를 달성해야 하는지 어떤 일군들이 어떤 임무를 집행해야 하는지 연구 대상의 전반에 걸쳐 사전에 구체적으로 분석할 수 있다.”고 말하면서 “례를 들면 합성 과정의 설계는 연구소의 생물설계중심 과학기술조에서 책임지고 총체적 연구부는 임무에 대한 분석를 통해 관련 연구 임무를 특정된 상대에게 위임한다. 간단하게 말해서 이런 모식은 전문 인재가 전문 연구를 하기에 더욱 쉽다. 전반 예산의 방식도 연구팀이 안정적으로 연구에 전념할 수 있도록 보장할 수 있다.”고 말했다.

연구 대상을 실시하는 과정에서 임무를 맡은 과학연구팀에 대해 엄격한 심사를 진행한다. 심사를 통과하지 못하는 연구팀은 새로운 연구팀으로 교체한다.“전반 연구 대상을 실시하는 과정에서 총 10여개의 작은 단체와 연구팀이 참여했다.”고 채도가 말하면서 “부동한 연구팀이 함께 모여서 한가지 일, 하나의 목표, 하나의 임무를 위해 노력하고 협동공략하여 최종적으로 독창성 중대한 돌파를 실현했다.”고 전했다.

/길림일보

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