본문내용
1. 인공 광합성과 인공 나뭇잎
1.1. 자연 광합성
1.1.1. 광합성의 구성
지구상의 모든 생물은 생존을 위해 에너지를 필요로 하며, 먹이사슬의 상위단계에 있는 개체는 하위단계의 개체로부터 에너지를 얻는다. 식물은 먹이사슬의 가장 아래에 있지만 지구상에서 스스로 에너지를 생산할 수 있는 유일한 생물이다. 이들은 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 생물의 에너지원인 탄수화물을 생산하는데, 이를 "광합성"이라 한다. 따라서 광합성은 지구상의 모든 생명현상 중에서도 가장 경이롭고 중요한 현상이다.
광합성은 크게 명반응과 암반응으로 구성되어 있다. 명반응은 엽록소와 효소 등으로 이루어진 엽록체에서 일어나는데, 엽록소가 태양빛을 흡수하면 에너지적으로 들뜬 상태가 된다. 이 들뜬 에너지는 주변으로 높은 에너지의 전자를 전달해 일련의 화학반응을 일으키게 한다. 이러한 화학반응을 통해 식물은 물을 분해해 산소를 생성하며, 다양한 화학반응의 에너지원인 ATP와 NADPH를 만들게 된다. 이렇게 생성된 ATP와 NADPH는 암반응 과정(캘빈회로)을 통해 이산화탄소로부터 탄수화물을 합성하는데 이용된다."
1.1.2. 광합성의 명반응과 암반응
광합성의 명반응은 엽록체에서 일어나는데, 엽록소가 태양빛을 흡수하면 에너지적으로 들뜬 상태가 된다. 이 들뜬 에너지는 주변으로 높은 에너지의 전자를 전달해 일련의 화학반응을 일으키게 한다. 이러한 화학반응을 통해 식물은 물을 분해해 산소를 생성하고, 다양한 화학반응의 에너지원인 ATP와 NADPH를 만들어낸다.
암반응 과정인 캘빈회로에서는 이렇게 생성된 ATP와 NADPH를 이용하여 이산화탄소로부터 탄수화물을 합성한다. 즉, 명반응에서는 빛에너지를 화학에너지로 전환하고, 암반응에서는 그 화학에너지를 이용해 이산화탄소를 고정하여 유기물을 합성하는 것이다.
이처럼 명반응과 암반응이 유기적으로 연결되어 있어 식물이 스스로 에너지를 생산할 수 있게 한다. 이렇듯 광합성은 지구상의 모든 생명현상 중에서도 가장 경이롭고 중요한 현상이라고 할 수 있다.
1.2. 인공 광합성
1.2.1. 인공 광합성 기술의 개발
KAIST 연구팀은 자연광합성의 명반응과 염료감응 태양전지의 유사성에 주목하여 인공 광합성 기술을 개발했다. 자연광합성에서는 엽록소가 가시광선을 흡수하여 고에너지의 전자를 내어주고 NADP+로부터 NADPH를 재생한다. 이와 유사하게 염료감응 태양전지에서는 황화카드뮴(CdS) 양자점 등의 염료가 가시광선을 흡수하여 고에너지의 전자를 산화티타늄(TiO2)에 전달하여 전기를 생산한다. 연구팀은 이러한 유사성에 착안하여 염료감응 태양전지를 이용해 전기를 생산하는 대신 NADP+로부터 NADPH를 재생하는데 성공했다. 이렇게 재생된 NADPH를 산화환원효소와 연결시켜 고부가가치의 정밀화학물질을 생산하는 '인공 광합성' 기술을 개발했다. 이는 무한 에너지원인 태양광을 이용해 신약 원료물질이나 광학이성질체 등을 친환경적으로 생산할 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다. 그러나 인공 광합성 기술을 실제 산업에 적용하기 위해서는 광반응 효율성 향상, 효소의 안정성 향상 등의 과제를 해결해야 한다.
1.2.2. 인공 광합성의 장점과 과제
인공 광합성의 장점과 과제는 다음과 같다.
인공 광합성 기술은 태양전지 기술을 이용해 자연 광합성의 명반응을 모방하여 NADP+로부터 NADPH를 재생시키고, 암반응 과정을 산화환원효소로 대체하여 효소반응을 이용한다. 이렇게 재생된 NADPH를 산화환원효소 반응과 연결시켜 고부가가치의 정밀 화학물질을 생산할 수 있어 그 파급효과가 매우 크다.
인공 광합성의 주요 장점은 무한 에너지원인 태양광을 이용해 신약원료물질, 광학이성질체와 같은 고부가가치의 정밀화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있다는 점이다. 기존에 산업적으로 사용되던 촉매와 달리 효소는 상온, 상압, 중성 pH의 온화한 조건에서 부산물의 생성 없이 특정 화학물질만 선택적으로 합성할 수 있어 유용하다. 또한 이 기술은 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 원료로 활용할 수 있어 환경 문제 해결에도 도움이 될 수 있다.
하지만 실제 산업에 적용하기 위해서는 여러 가지 과제를 해결해야 한다. 우선 광반응 효율성 향상과 생체물질인 효소의 안정성 향상이 필요하다. 산화환원효소를 이용한 반응은 NADPH라는 고가의 보조인자를 소모하기 때문에 이를 효과적으로 재생시키는 ...
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