지구의 토양에 서식하는 일부 세균은 주변에 영양원이 없을 때 공기에 포함된 미량의 수소를 분해하여 전자를 에너지로 꺼내고 씁니다. 호주 모나쉬 대학의 생물의학 연구자인 Rhys Grinter 연구팀은 수소를 분해하는 효소를 박테리아로부터 분리하고 실제로 공기 중의 수소를 직접 전류로 변환하는 데 성공했다고 보고했습니다.
Structural basis for bacterial energy extraction from atmospheric hydrogen | Nature
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05781-7
Electricity from thin air: an enzyme from bacteria can extract energy from hydrogen in the atmosphere
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Electricity from thin air: an enzyme from bacteria can extract energy from hydrogen in the atmosphere
The Huc enzyme can split hydrogen molecules to make electricity, raising the possibility of small devices that run on air.
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토양의 세균 중에는 수소를 에너지원으로 이용할 수 있는 종류가 존재하고 있으며 놀랍게도 세균은 연간 7000만 톤의 수소를 공기 중에서 제거하고 있다고 합니다. Grinter 씨의 연구팀은 방선균의 일종인 Mycobacterium smegmatis의 유전자를 해석하고 수소를 분해하여 에너지원으로 변환하는 효소인 hydrogenase를 분리하는 연구를 실시했습니다.
수소(수소분자)는 양전하를 가진 2개의 양성자가 2개의 전자에 의해 결합되어 있으며 연구팀이 'Huc'로 명명한 Mycobacterium smegmatis의 hydrogenase는 이 결합을 절단하여 2개 양성자를 분리하고 전자를 방출시킵니다. 수소의 분해로 인해 방출된 자유전자는 세균의 전자전달계로 흘러들어 가 세포에 에너지를 제공하기 위해 이용된다는 것. 전류는 자유전자의 이동에 의해 만들어지기 때문에 Grinter 씨는 "이것은 Huc가 수소를 직접 전류로 변환하고 있음을 의미한다"고 설명했습니다.
그러나 대기 중에 차지하는 수소의 비율은 불과 0.00005%에 불과하고 이 정도의 저농도로 존재하는 수소를 소비하는 것은 이미 알려진 촉매에서는 곤란했습니다. 게다가 대기 중에 풍부하게 존재하는 산소도 수소를 소비하는 많은 촉매의 활성을 방해합니다.
Huc가 이 문제를 해결하는 방법을 알아보기 위해 먼저 Grinter 씨의 연구팀은 Mycobacterium smegmatis의 유전자를 변경하여 Huc에 특정 화학서열을 추가하고 Mycobacterium smegmatis로부터 Huc를 분리하는 작업을 했습니다. 수년간 실험을 반복하여 마침내 연구팀은 섭씨 -80도~80도의 범위에서 안정된 활성을 가지는 고품질의 Huc 샘플을 분리하는 데 성공했습니다.
분리된 Huc를 사용하여 실험한 결과에서 Huc는 Mycobacterium smegmatis으로부터 분리된 상태에서도 대기에 포함된 미량의 수소를 바로 전류로 변환하여 전기회로에 전력을 공급할 수 있음을 확인했습니다. 연구팀은 “실제로 Huc은 가스농도를 측정하는 고감도 장치인 가스 크로마토그래프 질량분석기로 검출할 수 없을 정도로 미량의 수소를 소비하고 있었고 Huc는 산소로 인해 전혀 저해되지 않는다는 다른 수소 소비형 촉매에는 없는 특성도 발견되었다"고 설명했습니다.
연구팀은 Huc가 천연대기 및 수소연료로부터 지속적으로 전류를 생성하는 '천연전지'처럼 기능하고 태양광발전의 대안으로 작고 지속 가능한 공기발전장치 개발로 이어질 가능성이 있다고 보았습니다.
Huc을 사용한 '천연 배터리'는 공기 중의 수소로부터 생성할 수 있는 에너지량은 결코 많지는 않지만 생체인증 모니터나 시계, LED, 단순한 컴퓨터에 충분한 전력을 공급할 수 있을 가능성이 있습니다. 또한 인공적으로 제조한 수소연료를 공급하면 더 큰 디바이스에 전력을 공급할 수 있을지도 모른다는 것. 또 대기 중에 포함되는 미량의 수소로부터 전류를 생성할 수 있는 Huc의 특성을 살려 매우 고정밀의 생체수소 검출센서로서의 응용도 전망되고 있습니다.
현시점에서는 아직 연구의 초기단계이며 실용화에는 Huc의 생산 규모를 현재의 밀리그램 단위에서 킬로그램 단위로 스케일업하는 등 몇 가지 기술적 과제를 극복할 필요가 있다고 합니다.
연구팀은 “이 연구는 토양의 박테리아가 어떻게 생존하는지에 대한 기초적인 발견이 생명의 화학을 재검토하게 된다는 것을 보여주고 미래를 향한 기술개발로 이어질 것”이라고 보았습니다.
