[지데일리] 이산화탄소를 ‘먹여’ 연료를 만든다고? 공상과학처럼 들리지만, 이미 현실이 되고 있다. 인간의 손으로 빚은 공장이 아닌, 미생물 공장이 그것을 해내고 있다.



두 개의 연속 배양 반응기(Chemostat)를 활용한 미생물 기반 부탄올 생산 공정이다. 첫 번째 반응기(BR1)에서 아세토젠균(Sporomusa ovata)이 이산화탄소를 아세트산으로 전환하고, 생성된 아세트산은 자동으로 두 번째 반응기(BR2)로 이송되어 개량된 대장균이 이를 이용해 부탄올을 합성한다. UNIST 제공

바다신2게임
미생물이 ‘탄소 중립 시대’의 주역으로 떠오르고 있다. 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 김진현 교수 연구팀이 미국 UC버클리 연구진과 손잡고, 미생물을 이용해 온실가스 이산화탄소를 친환경 연료 ‘부탄올’로 바꾸는 새로운 공정 기술을 개발했다. 단순히 실험실 수준의 아이디어가 아니라, 90시간 이상 끊김 없이 연속 생산에 릴게임모바일 성공한 시스템이다. 말 그대로 '이산화탄소를 먹고 연료를 내는 미생물 공장'이 탄생했다.
지구는 지금 ‘탄소 중독’에 시달린다. 산업혁명 이후 급격히 늘어난 탄소 배출은 기후 위기를 불러왔고, 이제 이산화탄소는 단순한 폐기물이 아니라 반드시 ‘처리해야 할 자원’으로 바뀌고 있다. 전 세계 연구자들이 이산화탄소를 다시 에너지로 환원시키는 기 오징어릴게임 술에 몰두하는 이유다.
하지만 여기엔 근본적인 난제가 있었다. 이산화탄소는 화학적으로 매우 안정된 분자이기 때문에, 이를 분해하거나 변환하는 데 막대한 에너지가 필요하다. 또 금속 촉매를 이용한 화학적 전환 기술은 고비용과 잦은 독성 부산물 문제로 상용화가 어렵다.
이 틀을 깬 것이 바로 미생물이다. 자연에는 이산화탄소를 야마토게임연타 ‘먹고’ 살아가는 세균들이 존재한다. 이를 생물공정 안에 효과적으로 활용하면, 복잡한 기후문제를 생명공학으로 푸는 새로운 길이 열린다. 이번 연구는 바로 그 ‘가능성의 Proof’를 제시했다.
연구팀의 핵심은 ‘분업화’였다. 하나의 미생물에게 모든 일을 맡기는 대신, 역할을 나누었다. 첫 번째 공정에는 ‘아세토젠균(Sporomusa ov 바다이야기2 ata)’이 투입됐다. 이 균은 이산화탄소(CO₂)와 수소(H₂)를 먹고 간단한 유기산인 아세트산(CH₃COOH)을 만든다. 이는 마치 공장의 기초 원료를 생산하는 1차 공정에 해당한다. 
그다음 두 번째 반응기에서는 유전자가 조작된 대장균이 등장한다. 이 대장균은 이전 단계에서 만들어진 아세트산을 받아 ‘소화’한 뒤, 최종적으로 부탄올(C₄H₉OH)을 생성한다.
이 단순해 보이는 2단계 연결에는 수년의 시행착오가 숨어 있다. 미생물은 살아있는 시스템이기 때문에, 온도·압력·영양 조성 등 작은 변수에도 민감하다. 두 종의 미생물을 연속 반응기에 담아 안정적으로 운용하는 것은 쉬운 일이 아니다. 김 교수팀은 두 반응기를 ‘연속 배양 시스템(chemostat)’으로 구성해 각 미생물이 최적 환경에서 작동하면서도 중간 산물이 안정적으로 전달되도록 설계했다.
결과적으로 외부에서 별도의 유기 탄소원을 공급하지 않아도, 오직 이산화탄소와 수소만으로 90시간 이상 부탄올을 끊임없이 생산했다. 기존 단일 미생물 시스템에서 불가능하던 ‘지속 가동’이 가능해진 것이다.
또한 대장균의 유전자 경로를 섬세하게 조정해, 부탄올 생산 효율을 약 3.8배 높였다. 일반적으로 대장균은 아세트산을 잘 흡수하지 못하거나, 흡수하더라도 주로 자기 생존에만 에너지를 쓴다. 그러나 이번 연구에서 대장균의 대사 회로가 ‘재구성’되면서, 에너지가 연료 합성에 집중되도록 설계됐다.
이번 성과는 연구의 기술적 완성도뿐 아니라 개념적 전환에서도 의미가 크다. 김진현 교수는 “이산화탄소 전환 공정의 가장 큰 난제가 효율성과 안정성이었는데, 두 미생물이 협력하는 시스템으로 이를 극복했다”며 “공정 단위를 확장하면 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 바이오연료 생산 플랫폼으로 발전할 수 있을 것”이라고 말했다.
부탄올은 탄소 4개로 이뤄진 알코올로, 에탄올보다 에너지 밀도가 높고 부식성이 적다. 내연기관 차량의 연료로 바로 사용할 수 있고, 기존 인프라를 거의 바꾸지 않아도 된다는 점에서 차세대 친환경 연료로 각광받는다. 하지만 지금까지는 옥수수나 사탕수수 같은 바이오매스를 원료로 한 발효 생산이 주류였다. 
이는 결국 식량 자원을 에너지로 전용해야 하기에 지속 가능성 논란이 있었다. 반면 이산화탄소 기반 전환은 폐기물을 자원으로 바꾼다는 점에서 한층 진일보한 ‘순환경제형 기술’로 평가받는다.
이번 연구에는 UC버클리의 화공생명공학과 더글라스 클락(Douglas S. Clark) 교수, 화학과 페이동 양(Peidong Yang) 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 세계적으로도 미생물의 CO₂ 전환을 직접 부탄올 생산으로 연계한 사례는 극히 드물다. 연구 결과는 국제학술지 Bioresource Technology 지난 12월 24일자 온라인판에 게재됐다.
이 기술의 사회경제적 의의는 단순한 실험 성공을 넘어선다. 화석연료 중심의 에너지 구조를 전환하기 위해서는 '이산화탄소를 다시 연료로 돌려 쓰는' 기술이 반드시 필요하다. 이를 실현하기 위한 시도들은 지금까지 주로 전기화학적 방법(이산화탄소 전기환원)이나 광촉매를 이용한 광화학적 전환에 집중됐다. 
하지만 이런 방식들은 촉매의 성능 저하, 고비용 전력 소비 등의 한계를 안고 있었다. 생명공학적 공정은 이 문제를 근본적으로 다르게 접근한다. 자연의 대사 시스템을 활용해 스스로 자원을 순환시키는 방식이다.
다만 아직 갈 길은 남았다. 현재 연구의 생산 속도와 효율은 산업 현장에 바로 적용하기에는 낮은 수준이다. 두 미생물의 반응 속도를 정밀하게 동기화하고, 대량 생산으로 확장할 때 발생할 수 있는 안정성 문제도 과제다. 또한 수소(H₂)를 공급하는 과정에서의 에너지 원천을 ‘친환경적으로’ 확보하지 않으면, 전체 시스템의 탄소 절감 효과가 반감될 수 있다.
그럼에도연구팀은 이 기술이 미래의 에너지 난제를 해결할 유력한 카드가 될 것이라 내다본다. 김 교수는 “이산화탄소를 문제로만 볼 게 아니라, 새로운 자원으로 전환하는 시각이 필요하다”며 “미생물의 대사 효율을 더욱 높이고 공정을 최적화한다면, 탄소 중립 연료 생산의 경제성을 충분히 확보할 수 있을 것”이라고 강조했다.
이번 성과는 기후위기 시대 산업의 ‘생태적 패러다임 전환’을 상징한다. 공장 굴뚝에서 뿜어져 나오는 이산화탄소가 그대로 에너지로 되돌아오는 순환 구조가 만들어진다면, 탄소 중립은 더 이상 먼 미래의 선언이 아니다.
향후 과제로는 먼저 미생물 대사 효율을 상업화 단계까지 끌어올리는 공정 최적화가 필요하다. 다음으로 수소 생산을 태양광·풍력 기반의 ‘그린 수소’로 전환해 전체 시스템의 지속 가능성을 강화해야 한다. 아울러 파일럿 규모의 실증을 통해 장시간 운전 시의 안정성, 공정비, 에너지 회수 효율을 실제 산업 환경에서 검증해야 한다. 이를 통해 ‘CO₂-부탄올 전환 공정’이 연구실을 넘어 진짜 산업 생태계로 자리 잡을 때 비로소 탄소 순환 시대의 문이 완전히 열릴 전망이다.
기후 위기는 인간의 오만이 불러온 결과지만, 미생물의 분업과 협력은 그 해법의 실마리를 우리에게 보여준다. 작디작은 세균이 남긴 발자국이 인류의 다음 세대 에너지 체계를 바꿀지도 모른다.