가톨릭대 김석민 교수팀, 산소에 강한 금속 기반 생촉매 세계 최초 개발 … 수소 생산과 온실가스 제거 응용 기대

가톨릭대학교는 생명공학과 김석민 교수 연구팀이 공기 중에서도 안정적으로 작동하는 금속 기반 생촉매를 세계 최초로 개발했다고 30일 밝혔다.

이번 연구는 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 김용환 교수, 서울대 화학과 이형호 교수와 공동으로 진행했다.

공기 중에서도 작동하는 생촉매는 이산화탄소와 일산화탄소 전환 공정의 공정비용을 획기적으로 절감할 수 있어 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 기존의 일산화탄소 탈수소효소(CODH)는 산소에 매우 취약해 산업적 활용에 한계가 있었다.

공동 연구팀은 금속클러스터(Ni-Fe-S)를 포함한 CODH의 기질 통로를 정밀하게 설계·조작해 산소가 효소 내부로 침투하는 터널만을 이중으로 차단하는 방식으로 안정성을 확보했다. 개발된 CODH 변이체는 구조생물학 분석(X선 결정구조 해석) 결과 공기 중(산소 농도 20%)에 24시간 이상 노출된 후에도 효소 구조와 금속클러스터가 완전하게 유지됨을 스냅샷(snapshot) 수준으로 확인했다.

개발된 CODH 변이체는 전기화학 기반 일산화탄소 산화 반응에서도 산소 존재 하에 반응 활성을 유지하며, 기존의 금속 기반 생촉매의 산소 민감성(산소저해 IC90 약 1μM)을 크게 개선했다. 특히 이번 변이체는 공동 연구팀이 지난 2022년 국제학술지 '자연촉매(Nature Catalysis)'에 발표한 산소내성 생촉매(IC90 기준 49배 향상)보다 향상된 공기 안정성 특성(IC90 기준 852배 향상)을 보여 후속 연구의 중요한 진전으로 평가받는다.

김석민 교수는 "이번 연구는 수소생성효소, 이산화탄소 환원효소 등 산소에 민감한 다양한 메탈효소의 안정화에도 적용할 수 있어 생물학적 수소 생산과 온실가스 제거를 위한 파괴적 혁신 기술로 이어질 것으로 기대된다"며 "앞으로 수소 생산용 수소화효소, 이산화탄소 환원용 금속효소 개발에도 적용할 계획"이라고 말했다.

이번 연구 논문은 화학·생물화학 분야 세계적 권위지인 '응용화학(Angewandte Chemie International Edition)'에 지난 4일 표지 논문으로 게재됐다. 아울러 저널 내 상위 10% 이내 주목할 만한 연구에 부여되는 관심 논문(Hot Paper)으로 선정됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 선도연구센터(ERC) 사업과 미세플라스틱 대응사업단(SMILE)의 지원을 받아 수행됐다.