환경문제 주범인 녹조류의 식물세포, 에너지 변환 기술로 활용 기대
Patterned Nanowire Electrode Array for Direct Extraction of Photosynthetic Electrons from Multiple Living Algal Cells
▲ 류원형 교수
미래창조과학부(장관 최양희)는 식물세포의 광합성 과정에서 생성된 광합성 전자를 추출하는 나노전극 시스템을 개발하여 에너지 변환을 통해 전기추출 효율을 높인 방법을 개발하였다고 밝혔다.
류원형 교수(연세대학교) 연구팀*은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구) 및 글로벌프론티어사업 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 재료공학 분야에서 세계적인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스에 9월 14일자로 게재되었다.
* 미국 스탠포드 대학 식물학자 Arthur Grossman 교수팀과 공동으로 연구 수행
논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : Patterned Nanowire Electrode Array for Direct Extraction of Photosynthetic Electrons from Multiple Living Algal Cells
- 저자 정보 : 류원형 교수 (교신저자, 연세대 기계공학과), 김용재 석·박사 통합과정 (공동 제1저자, 연세대 기계공학과), 김로현 석사 (공동 제1저자, 연세대 기계공학과)
논문의 주요 내용은 다음과 같다.
1. 연구의 필요성
광합성은 녹색식물이나 생물이 빛을 이용하여 양분을 스스로 만드는 과정이다. 식물세포는 외부의 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소를 원료로 산소와 포도당과 같은 유기 양분을 만든다.
이러한 광합성 작용으로 식물세포는 태양광 에너지를 100%에 가까운 효율로 전기화학적 에너지로 변환시킨다. 이와 같은 광합성 과정의 높은 에너지 변환 효율을 전기 에너지 추출에 이용하기 위한 연구들이 진행되어 왔다.
연구팀은 이전 연구에서 원자력 현미경에 부착된 나노 전극*을 식물세포 안으로 삽입하여 광합성 과정 중 전류 추출이 가능함을 보여주었다. 그러나 대상이 단일 식물세포로 국한이 되어 있어, 얻을 수 있는 전류의 양이 현저히 적었으며 실험 조건이 까다로워 실용화가 어려운 기술이었다.
* 전극 : 전지 등에서 회로 내의 도체로 전류를 흘러들어가게 하거나 나오게 하는 막대 모양 혹은 판 모양의 단자.
다른 연구에서는 엽록체 내부의 구성 요소인 세포막(틸라코이드)이나 세포막에 있는 단백질 인자인 광계와 같은 광합성 인자를 통해 전류를 추출하였다. 그러나 추출된 인자들은 광합성 기능이 점차 상실되어 장기간 전류 추출이 불가능했다. 또한 전자를 전달하기 위한 추가적인 전기화학적 매개체가 필요하므로 전체 에너지 추출 효율이 떨어졌다.
2. 연구 내용
이에 연구팀은 살아있는 다수의 조류세포* 자체를 이용하여 광합성으로 발생한 전자를 추출하고, 광합성 기능의 안정성도 도모하는 대면적화가 가능한 나노 전극 시스템을 개발하였다.
* 조류세포(Algal cell) : 수중에서 생활하며 광합성 색소를 가지고 독립영양생활을 하는 원생생물. 녹조현상을 유발하는 녹조류 세포와 해수에 사는 김, 다시마, 미역 등의 적조류 세포로 구성됨.
연구팀은 다수의 식물세포 안에 전극을 동시에 삽입하기 위해 실리콘 기반의 나노 스케일 전극 기판을 제작하였다. 이곳에 다수의 식물세포를 삽입하면 나노 스케일의 전극 역시 동시에 삽입이 되어, 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.
또한 살아있는 세포 자체를 이용하기에 세포 환경이 그대로 유지가 되어, 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.
3. 연구 성과
이번 연구는 식물 조류세포의 광합성 과정에서 높은 효율로 전기 에너지를 장시간 추출하는 것이 가능함을 보여주었다. 이번에 개발한 광합성 전류의 추출 시스템이 실용적 기술로 개발이 가능함을 보여주는 것이다.
특히 녹조 현상과 같은 환경 문제가 대두되고 있는 요즈음, 이번 기술의 개발은 녹조류를 하나의 에너지 자원으로 활용할 수 있는 새로운 해결책을 제시해 줄 것이다.
빠르게 변성되는 추출 광합성 인자의 한계점을 극복하고자 살아있는 식물세포 자체를 이용한 본 기술은, 향후 바이오-태양광 하이브리드 기술로써 신재생 에너지 분야의 새 지평을 열 수 있을 것이다.
류원형 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.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
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 연구들이 진행되어왔다. 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 추출하여 바이오-태양전지의 개념으로 발전시키는 연구가 활발히 진행되고 있다.
하지만, 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.
본 연구에서는 살아 있는 다수의 조류세포(algal cells)내부로 삽입 후 광합성 전자를 직접적으로 추출할 수 있는 나노 전극 시스템을 개발하였다.
전기화학적 에너지 추출이 가능한 나노 전극 배열을 제작하고 다수의 조류세포를 나노 전극으로 삽입 후 틸라코이드 막에서 이동하는 광합성 전자를 성공적으로 추출하고 분석할 수 있는 시스템을 구현하였다.
2. 연구내용
연세대학교 기계공학과 류원형 교수 연구팀 (공동 1저자 연세대학교 김로현, 김용재 연구원, 공동 연구 연세대 신소재공학과 변재철 교수, 연세대 전기전자공학과 채영철 교수)은 미국 스탠포드 대학의 식물학자인 Arthur Grossman 교수팀과 공동으로 조류 세포의 높은 광합성 기능과 안정성을 유지하면서 높은 전류밀도로 광합성 전류의 직접 추출을 목표로 실리콘 기반의 나노 전극 시스템을 개발 및 제작하고, 제작된 나노 전극 기판에 다수의 식물 세포를 순차적으로 삽입하여 다수의 조류 세포로부터 동시에 광합성 전자를 성공적으로 추출하였다.
특히, 본 연구에서는 살아 있는 식물 세포 내부에서 전기화학적인 에너지 추출이 가능하며 세포의 파괴 없이 세포내부로 삽입이 가능한 나노전극을 배열의 형태로 제작하는 기술을 개발하였다. 물리적인 충격만으로 나노 입자를 대면적에 정밀 배열한 후 이 나노 입자를 식각 마스크 (etch mask)로 사용하여 대면적에 정밀하게 배열된 고 종횡비를 갖는 나노 전극 구조물을 제작하였다.
다수의 화학적 및 물리적 증착 등의 후 공정(post treatments)을 통해 나노 전극의 끝단에서만 정밀하게 미소 전기화학적 에너지 추출을 할 수 있는 전기화학적 나노 전극 기판을 제작하였다. 제작된 전극 기판은 미소량의 전류의 정확한 측정을 위해 맞춤화 된 노이즈 처리 및 신호 증폭용 회로와 연결 후 전극에 전압을 인가하고 발생하는 광합성 전자를 추출할 수 있는 초정밀 포텐시오스탯(Potentiostat)과 연결하였다. 모든 세포의 삽입과 광합성 전자 측정은 외부로부터의 전자기장을 차단할 수 있는 패러데이 케이지(Faraday cafe) 내부에서 진행하였다.
식물 세포의 나노 전극 삽입은 광학 현미경으로 실시간 모니터링 하면서 유압식 미세 조정기(Micro manipulator)를 이용해 삽입하였다. 식물 조류세포의 크기는 5~10 ㎛의 직경을 가지고 있으며 유리 마이크로 피펫(Glass micropipette)에 음압(Negative pressure)을 인가하여 식물세포를 피펫 끝단에 고정하고, 현미경을 통해 관찰하면서 미세 조정기를 이용하여 개별 나노 전극에 순차적으로 조류 세포를 삽입하였다.
나노 전극을 세포에 삽입 후 포텐시오스탯을 이용해 실시간으로 광합성 전자를 추출할 수 있는 전압을 인가하여 주는 동시에 빛에 반응하여 나노 전극 회로에 흐르는 전류를 측정하였다. 광량에 따른 전류량의 측정, 광합성 억제제를 사용한 광합성 전류 확인, 인가 전압에 따른 변화를 모니터링하여 광합성 전류의 특성을 분석하였다. 이 후 나노 전극에 삽입된 세포의 개수를 순차적으로 증가시키며 나노 전극 삽입 양상에 따른 광합성 전류 반응 및 시간 변화 및 광량의 변화에 따른 분석을 실시하여 다수의 조류세포에서 동시에 광합성 전류를 직접적으로 장기간 추출할 수 있음을 성공적으로 입증하였다.
3. 기대효과
본 연구결과는 조류세포의 광합성과정에서 높은 효율로 전기에너지의 직접 추출이 가능함을 보여주고 동시에 과학적 입증단계를 넘어서 새로운 개념의 바이오-태양광 에너지 기술로 실용적 개발이 가능함을 보여 주었다.
특히 본 연구결과는 본 연구팀의 이전 연구가 가졌던 단일 세포에서 짧은 시간에 전류의 추출이 가능했던 한계점을 넘어서 수 시간동안 다수의 세포에서 광합성 전류의 추출이 가능함을 입증하여 실용적 기술로의 개발이 가능함을 보였다.
또한, 최근 녹조 현상과 같은 환경적 영향이 문제가 대두되고 있는 가운데 본 기술의 개발로 녹조류의 에너지 자원으로서의 활용을 새로운 방향으로 진행할 수 있음을 기대할 수 있다.
태양광 기반 신재생에너지의 일환으로 광합성을 이용한 에너지 하베스팅이 여러 연구팀에서 연구가 진행되고 있는 가운데, 식물 세포 자체를 이용하여 높은 안정성을 가진 본 바이오-태양광 에너지 변환 기술은 향후 신재생 에너지 분야에 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 기대된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
본 연구실은 에너지 하베스팅의 일환으로 살아있는 식물 세포 또는 식물세포에서 추출한 광합성 인자를 추출하여 광합성 중에 발생하는 광합성 전자를 직접 탈취하는 연구에 관심을 가지고 있다. 일전에 단일 나노전극에 단일 식물세포를 직접 삽입하여 그로부터 광합성 전류를 측정하는데 성공한 바 있으나, 단일 식물세포에서는 현저히 적은 양의 광합성 전류만을 측정할 수 있기에 실용적으로 활용하기 위한 수단을 강구하고자 본 연구를 시작하게 되었다. 현재까지의 연구는 식물세포에서 추출할 수 있는 광합성 인자인 광계를 사용한 연구에 초첨이 맞춰져 있으나 본 연구실에서는 광합성 인자를 사용했을 때 단점으로 지적되는 낮은 기능 안정성을 극복하고자 식물세포 자체를 사용하였고, 이를 토대로 다수의 식물세포에 동시에 나노전극을 삽입하면 대량의 광합성 전류를 얻을 수 있을 것이라는 가능성에 초점을 맞추어 연구를 시작하게 되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
AFM 캔틸레버를 가공한 나노전극을 이용해 단일 식물세포에서 광합성 전류가 성공적으로 추출될 수 있음을 증명한 선행 연구가 연구의 시발점이었다. 단일 식물세포를 사용하였을때의 기능 안정성은 이미 증명이 되어있는 상태였고, 그렇다면 더 많은 양의 전류를 얻기 위해 많은 수의 세포를 전극에 삽입하여야 한다는 단순한 아이디어에서 연구를 시작하게 되었다. 서윤호와 김로현 학생이 발표했던 실리콘 나노구조체에 단일세포를 삽입하는 연구에서 세포가 삽입되기 적당한 나노전극의 두께를 결정할 수 있었다. 이후 제작된 나노전극에 세포를 삽입하는데에 있어, 유리 피펫 끝단에 세포를 고정시키고 미세 조정기를 이용하여 수동으로 세포를 삽입하는데 많은 어려움이 있었으나, 홍현욱 학생의 도움을 받아 세포를 비교적 안정적으로 나노전극에 삽입할 수 있었다. 삽입된 세포를 토대로 발생하는 광합성 전류를 측정하는 시스템을 구성할때에는 연세대학교의 채영철 교수님과 한명진 학생의 도움을 받아 노이즈 제어 및 신호 증폭용 기판을 구성하였고, 측정 후 측정신호를 분석하고 노이즈 필터링을 통해 정확한 광합성 전류의 크기를 확인할 수 있게 되어 본 연구를 완성시킬 수 있었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
나노전극 어레이를 제작하는 것 이외에도 시스템을 이용해 식물세포로부터 광합성 전류를 성공적으로 추출하기 위해서는 식물 세포 및 광합성의 작동 기작을 이해하고, 포텐시오스탯을 이용한 회로 시스템 구성에서 회로가 어떻게 전기화학적으로 작동하는지, 회로에 사용된 기판들이 어떻게 전기적으로 연결되어야 하는지에 대한 기계공학 외적인 지식들이 많이 필요했다. 회로를 구성하고 측정 결과를 분석하는 분야에서는 전기전자공학부 교수님과 학생의 도움을 받아 회로 셋업을 진행하고 기판을 제작하였지만, 광합성의 전기화학적 기작에 대해서 이해하고, 포텐시오스탯을 이용한 전기화학적 실험 세팅을 구성하고 이해하는데 많은 공부가 필요했다. 포텐시오스탯을 이용하여 회로를 구성하는 여러 다른 논문과 연구결과들을 바탕으로 많은 시행착오들을 거치며 식물세포-광합성 전류 측정에 알맞은 세팅을 찾을 수 있었으며, 화학공학과 교수님과 신소재공학과 교수님들이 여러 조언들을 바탕으로 수준 높은 연구를 수행할 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
현재까지 광합성을 이용한 에너지 하베스팅 분야는 식물세포에서 별도로 추출한 광합성 인자를 사용한 연구가 주를 이루었으며, 그 외의 방법으로는 시아노박테리아와 같은 미생물을 이용한 광합성 전류 추출 등이 있다. 식물세포 자체를 이용한 광합성 에너지 하베스팅은 세포 제어의 어려움과, 단일 세포에서 발생하는 전류 양의 한계점으로 인해 크게 각광받지는 못하였다. 이번 연구는 식물세포를 여러 개 이용하여 동시에 여러 식물 세포로부터 광합성 전류를 추출하여 추출 양을 향상시킬 수 있음을 증명한 것으로 광합성 기반 에너지 하베스팅 연구 분야에 있어 식물세포 자체를 이용한 새로운 형태의 광합성 태양광 에너지 변환 시스템을 구성하고 발전시킬 수 있을 것이라 기대된다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
현재 연구 결과에서는 3개의 식물세포를 순차적으로 삽입하여 단일 세포를 사용했을 때 보다 더 높은 양의 광합성 전류를 추출하였다. 하지만 아직 추출 가능한 전류의 양은 여전히 실용적으로 사용하기에 부족하다. 향후 실생활에서 해당 기술을 적용하여 실용적으로 사용하기 위해서는 몇 개의 세포가 아닌 대량의 세포에서 동시에 광합성 전류를 추출하는 연구가 반드시 진행되어야 할 것이다. 대량의 세포를 삽입할 수 있는 전극 구조체 및 공정을 새로이 개발하고, 대량의 세포를 삽입해야 하는 만큼 세포의 삽입 방법도 순차적으로 그리고 수동으로 삽입하는 방법 대신에 많은 양의 세포를 동시에 삽입할 수 있는 기술의 개발도 병행되어야 한다. 이를 기반으로 더 높은 양의 광합성 전류를 추출하여 사용할 수 있는 광합성-태양전지 분야의 연구를 지속적으로 수행할 수 있을 것으로 기대한다. 더불어, 광합성 전류 발생량을 증가시키는것과 동시에, 광합성인자의 광합성 효율을 향상시켜 궁극적으로 더 효율적인 광합성 에너지 하베스팅 시스템을 구성할 수 있는 연구를 진행하리라 기대한다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
이번 연구를 진행하는데 있어, 식물세포가 빛에 민감하고 발생하는 전류의 양이 극도로 적은 바, 실험 셋업 주위의 작은 움직임이나 진동에도 측정 신호를 덮어버릴 만큼 큰 노이즈가 발생하고는 하였다. 이를 조금이나마 저감시키고자 많은 실험을 외부로부터의 빛이 없고 유동인구 및 작동하는 타 장비가 없는 새벽에 진행할 수밖에 없었고, 이런 연구환경을 바탕으로 해당 연구 결과에 좀 더 애착이 더 생겼다.
용 어 설 명
1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 (Advaced Functional Materials) 誌
학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수 (impact factor) 11.382의 전 과학 분야 및 재료 논문 분야 최상위 학술지 중 하나
2. 틸라코이드 막(Thylakoid membrane)
식물세포 안에 존재하는 막 형태의 기관이며 틸라코이드 외부인 스트로마와 내부를 물리적으로 분리하는 역할을 한다. 광계를 포함하여 광합성을 담당하는 여러 단백질들을 포함하고 있다.
3. 광계 (Photosystem)
식물세포 안에서 광합성을 담당하는 기관인 엽록체, 실제 광합성 기작이 일어나는 틸라코이드 막에 포함되어 있는 단백질 인자이다. 일반적으로 입사되는 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소를 분해하고, 그 결과물로 산소와 양성자, 그리고 전자를 생성한다. 광계에서 발생한 전자는 입사되는 빛 에너지를 받아 높은 에너지 상태로 여기되어 다음 광합성 사이클 분자로 이동한다.
4. 식물 조류 세포 (Algal cell)
일반적으로 수중에서 생활하며 동화 색소를 가지고 독립 영양 생활을 하는 원생생물을 통틀어 일컫는다. 개중 식물 조류세포는 일반 식물세포와 같이 광합성을 할 수 있는 엽록체를 내부에 가지고 있으며 수중에서 빛을 따라 이동할 수 있도록 유영이 가능한 더듬이를 가지고 있기도 하다.
5. 포텐시오스탯 (Potentiostat)
광합성 전자 추출을 위해 구성한 시스템에서, 나노 전극에 전자를 추출할 수 있는 전압을 인가하는 동시에 전극을 통해 추출되는 전류를 측정할 수 있는 전기장치.
6. 패러데이 케이지 (Faraday cage)
케이지 외부에서 들어오는 전자기파를 흡수하여 내부에 영향을 끼치지 않게 해주는 장치. 일반적으로 구리와 같은 금속선을 격자로 엮은 메쉬(Mesh)를 이용해 제작한다.
그 림 설 명
다수의 식물세포 삽입용 실리콘 기반 나노 전극 어레이 제작
그림 1. 실리콘 기반 나노 전극 어레이 제작 공정 개발
다수의 식물 조류세포를 삽입하기 위한 기판으로, 실리콘을 기반으로 한 나노 전극 어레이를 제작함. 실리콘 기판에 포토리소그라피 공정을 이용해 나노입자가 들어갈 수 있는 PR 패턴을 제작하고, 거기에 실리카 나노입자를 채워넣어 배열된 나노입자 어레이를 제작함. 이어서 DRIE 공정과 그 후 공정을 통해 나노 전극 어레이를 제작함.
식물세포 삽입 및 광합성 전자 추출
그림 2. 나노전극에 식물세포 삽입 및 광합성 전자 추출
식물세포를 제어하기 위한 방법으로 마이크로피펫에 음압을 인가하여 피펫 끝에 식물세포를 고정함, 광학 현미경으로 실시간 관찰하면서 식물세포를 나노전극에 물리적으로 삽입함. 그 후 광학 현미경 조명을 이용해 빛을 조사하고 전자 추출에 필요한 전압을 인가하면서 광합성에 의해 발생하는 전류를 측정함.
다수의 식물세포 순차적 삽입 및 광합성 전자 추출
그림 3. 식물세포 3개의 순차적 삽입 및 다수와 단일세포의 광합성 전류 추출량 비교
위의 방법을 이용해 나노 전극 어레이에 순차적으로 3개의 식물세포를 삽입하고, 1개의 세포가 삽입되었을 경우와 3개가 모두 삽입되었을 경우의 광합성 전류 발생량을 측정 및 비교함.
식물세포의 순차삽입에 따른 광합성 전류 측정
그림 4. 식물세포 순차삽입에서 삽입된 세포 개수에 따른 광합성 전류 측정
식물세포를 하나씩 삽입해 나가면서, 삽입된 세포의 개수에 따라 추출되는 광합성 전류량이 어떻게 변화하는지를 관찰함. 삽입된 세포가 하나씩 증가함에 따라 추출되는 광합성 전류의 양도 증가하는 것을 확인함.
세포삽입 및 암실배양 후의 광합성 전류 측정
그림 5. 식물세포 삽입 후 암실배양 실행여부에 따른 광합성 전류량 측정
3개의 식물세포를 같은 방법으로 나노 전극에 삽입 후, 어두운 빛 조건에서 세포 회복 및 이산화탄소 고정화를 위해 배양함. 암실에서 배양한 뒤 같은 방법으로 빛을 조사하면서 발생하는 광합성 전류량을 측정함.
