2024-08-06
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공샹주안 기자
합성 전분 샘플. 사진: Cui Xinyao(People's Vision)
핵심 독서
오늘날 세계는 기후 변화, 식량 안보, 에너지 자원 부족 등의 과제에 직면해 있습니다. 어떻게 하면 이산화탄소를 인간에게 의미 있고 시장 가치가 있는 물질로 변환할 수 있을까요? 인공전분 프로젝트도 이러한 시도 중 하나이다. 중국과학원 천진산업생명공학연구소는 2018년에 프로젝트 혁신을 달성했으며 그 이후로 계속해서 기술 반복과 업그레이드를 수행해 왔습니다. 오늘날 인공 전분의 합성 속도는 옥수수 전분의 8.5배이며, 필요에 따라 다양한 유형의 전분을 방향성 있고 제어 가능한 합성이 가능합니다.
몽환적인 블루 컬러가 등장!
천진공항 경제구에서는 중국과학원 천진산업생명공학연구소(이하 '천진공업생물학원')에서 R&D 연구원 Qiao Jing이 매일의 실험과정을 반복하고 있다. 요오드 용액 한 방울을 시험관에 첨가하자 Qiao Jing은 깜짝 놀랐습니다. 시약이 오랫동안 기다려온 색상으로 변했습니다. "파란색은 매우 연하지만 전분이 나타났음을 의미합니다!" 2018년의 현장을 떠올리며 Qiao Jing은 여전히 들떠 있습니다.
Tianjin Industrial Biology의 인공 전분 프로젝트 관리자인 Cai Tao도 마찬가지로 흥분하고 있습니다. 그는 한동안 확신이 없었기 때문에 회의실에서 실험실까지 달려가 반복적인 실험을 고안했다. 다음날 '스타치 블루'는 예정대로 등장했다.
인공전분팀은 2021년 국제학술지 사이언스에 인공 광합성 반응과 생물학적 효소 촉매반응을 결합해 물과 이산화탄소로부터 전분을 합성하는 새로운 시스템을 구축했다고 발표했다. "이것은 차세대 바이오 제조 및 농업 생산에 혁신적인 영향을 미칠 획기적인 혁신입니다."라고 평론가는 말했습니다.
인공전분 프로젝트의 시초는 고속열차에 대한 생각에서 비롯됐다. "오늘날의 세계는 기후 변화, 식량 안보, 에너지 자원 부족 등의 과제에 직면해 있습니다. 어떻게 이산화탄소를 인류에게 의미 있고 시장 가치가 있는 물질로 전환할 수 있을까요? 출장을 마치고 천진으로 돌아가는 고속열차를 타고 가볼까요?" , 이 아이디어는 갑자기 천진 산업 생물학 연구소 당시 Ma Yanhe 소장의 마음 속에 나타났습니다. 연구소의 신중한 연구와 판단을 거쳐 2015년 인공 전분 프로젝트가 공식적으로 제안되었습니다.
핵심 과제를 연구하라는 요청을 받았을 때 Cai Tao는 합성 전분은 이론적으로 가능하지만 이전에는 성공한 사례가 없었습니다. "우리는 다른 사람들이 하지 않은 일에 도전하고 싶습니다."
자연에서 옥수수, 밀, 감자와 같은 작물은 광합성을 통해 햇빛 에너지, 이산화탄소, 물을 전분으로 전환합니다. 그러나 이러한 자연적 과정에는 많은 양의 토지와 담수 자원이 필요하며 날씨의 영향을 많이 받습니다.
천연 전분의 합성 과정을 시뮬레이션하고 기술적 수단을 통해 인공 전분 합성을 달성할 수 있습니까?
"우리의 초기 아이디어는 재생 에너지를 사용하여 물을 분해하여 전자 또는 수소를 생성한 다음 전자 또는 수소를 사용하여 이산화탄소를 포름산 및 메탄올과 같은 단순 화합물로 환원하고, 추가로 효소를 사용하여 단순 화합물의 중합을 촉매하는 것입니다. Cai Tao는 인공합성 전분은 '지름길'을 찾기 위한 실험이라고 말했습니다.
작물에서 전분 합성에는 대략 60단계의 대사 반응이 필요합니다. 산업 생산을 수행하려면 단계를 단순화해야 합니다. Cai Taohe 팀은 연구소 내 생물학적 설계 전문 팀과 협력하여 6,568개의 생화학 반응을 체계적으로 마이닝 및 스크리닝하고 포름산 또는 메탄올에서 시작하는 최단 인공 전분 합성 경로를 설계했습니다. 이론적으로 이산화탄소는 9가지 주요 반응을 통해서만 전분을 합성할 수 있습니다. "단계가 적을수록 문제도 줄어듭니다."
실험은 3년 동안 진행됐고, 실험 기록만으로도 사람의 절반 높이가 쌓였다. 실험 과정에 따라 팀원들의 기분도 계속 요동쳤다.
뭐가 문제 야? "그것은 끊어진 강과 같습니다. 상류가 막힌 것인지 강의 분기점인지 알아내야 합니다. 핵심을 알아내야만 문제가 해결될 수 있다고 차이 타오는 말했습니다." 실험은 "효소"였습니다. 전분 합성 과정의 대부분의 반응에는 효소가 필요합니다. 자연의 반응 경로는 장기적인 자연 선택을 통해 진화해 왔습니다. 각 효소는 적응하고 협력할 수 있지만 인위적으로 설계된 반응 경로는 다릅니다.
"동일한 효소는 종종 부작용을 일으킬 수 있는 여러 반응을 촉매할 수 있습니다. 때로는 여러 효소가 기질을 놓고 경쟁하고 일부 효소는 여러 제품을 생산합니다."라고 Cai Tao는 효소 간의 "모순"을 조정하기 위해 팀을 찾았습니다. 효소 연구를 전문으로 하는 연구소와 함께 전분 합성을 위한 인공 경로의 효소 요구를 충족시키기 위해 효소의 표적 변형을 수행하거나 인공적으로 새로운 효소를 설계했습니다.
토론하고, 실험하고, 뒤집고, 또 토론하고, 또 실험하고... 연구팀은 메탄올에서 '수소 연소'로 발생하는 에너지를 이용해 포름알데히드를 생성하는 반응을 구동하려고 했고, 반응에서 열역학과 동역학의 불일치 문제를 해결하고, 9개의 주요 반응도 11개로 확장되었습니다.
과학의 축적은 오랜 시간이 걸리지만, 돌파구는 때로는 순간에 불과합니다. 2018년 7월 24일 오전, 차이타오는 팀원으로부터 사진을 받았습니다. 개봉 후 Cai Tao는 탐나는 "파란색"을 보았습니다.
"지금 보면 합성 전분 버전 1.0에 불과합니다." Cai Tao는 지난 몇 년 동안 팀이 합성 전분 기술의 반복적인 업그레이드를 완료하고 전분 합성 생산량을 지속적으로 개선했으며 전분 생산 강도를 높였다고 말했습니다. 버전 1.0에 비해 136배, 인공 전분의 합성 속도는 옥수수 전분의 8.5배이며, 필요에 따라 다양한 유형의 전분을 방향성 있고 제어 가능한 합성이 가능합니다.
차이 타오(Cai Tao)의 견해에 따르면, 과학 연구의 가장 큰 성공은 이를 실천에 옮기고 사회 복지 개선에 도움을 주는 것입니다. "다음으로, 우리는 실험실에서 산업 응용에 이르기까지 과학 연구 결과의 속도를 가속화하고 기술 창작을 이끌어 낼 것입니다. 사람들에게 혜택을 주는 과학과 기술의 새로운 그림." Cai Tao는 말했습니다.
이번 호 코디네이터: Chen Shihan
레이아웃 디자인: Cai Huawei
"인민일보" (2024년 8월 6일 04면)
