미세조류 대량배양을 통한 바이오 에너지 생산

급격한 국제유가 상승과 기후변화협정에서 이산화탄소의 방출량 감축을 명시함에 따라 전 세계의 시장과 산업 구조는 저탄소/친환경체제로 빠르게 재편되고 있으며, 3세대 미세조류 바이오에너지 사업은 고갈위기의 화석연료를 대체할 수 있는 유일한 대안으로 대두되고 있습니다.

미세조류는 생존력이 뛰어나 극지방, 적도, 사막 등 열악한 환경에도 적응하여 살아가며, 빠른 것은 조건만 맞으면 5~6시간 만에 두 배로 분열하여 폭발적으로 성장합니다. 미세조류가 함유한 TAG(triacyle glycerol)는 간단한 transesterification 반응으로 글리세롤과 디젤로 분리되며 상용 디젤과 혼합하여 일반 경유차의 연료로 사용이 가능합니다.

세계적으로 미세조류를 이용한 3세대 바이오매스 상용화가 본격적으로 추진되고 있는 가운데 우리나라는 차세대바이오매스 사업단이 10년간 1500억 원을 투자해 상용화가 가능한 바이오매스 기술을 개발하겠다는 목표로 관련 분야 연구자들을 지원하고 있습니다. 윤호성 교수님도 그 중 한 명입니다. 윤호성 교수님은 국내 최대 미세조류 배양시설을 가동, 대량생산과 상용화 가능성을 한 단계 앞당겼다는 평을 받고 있습니다.

미세조류를 키워 바이오매스를 생산하기까지 우리 연구실의 연구는 크게 4단계로 진행됩니다. 그중 처음은 최적 종 선발 단계입니다. 지금까지 연구자들은 주로 외국의 연구를 통해 성장이 좋고 기름 성분도 좋다고 평가받은 종들을 도입해 국내 실험실에서 연구를 진행해왔습니다. 하지만 본 연구실에서는 우리 토착 미세조류를 이용하자는 생각입니다. 외국종을 도입한다고 우리 환경에 잘 맞을 것이란 보장이 없을 뿐 아니라 또 황소개구리, 빨간귀거북이 사례에서 알 수 있듯이 외래종 도입이 생태계 파괴로 이어질 수도 있기 때문입니다.

항산화 유전자 도입 벼를 이용한 작물생산량 증대

석유 · 석탄 같은 화석연료의 사용이 증가하고 대량 소비형 사회가 도래하면서 지구의 평균기온이 전례 없이 급격하게 상승하고 있습니다. 기온 상승으로 지구의 기후대에도 큰 변동이 일고 있습니다. 건조기후 지역이 늘어나고 온대기후 지역이 점차 아열대 지역으로 변해 가며, 툰드라기후 지역이 줄어드는 추세입니다. 게다가 가뭄, 홍수, 태풍 등의 자연재해 발생률과 그 강도 또한 점차 높아지고 있습니다.

가뭄, 극한의 온도, 염분 토양, 침수, 산화와 같은 환경 스트레스는 식물의 생장과 수량성에 부정적 영향을 끼쳐 벼 수확률을 50% 이상 감소시킵니다. 이러한 환경 스트레스의 원인은 세포손상과 세포신호 전달회로와 연관되어 있는데, 최근에 이와 관련된 구조 및 조절 단백질을 과발현 되도록 유도, 스트레스 반응을 활성화함으로써 스트레스 내성을 조작하는 연구가 벼의 생산성 증대에 크게 기여할 수 있다는 연구결과들이 국내외적으로 발표되고 있어 이와 관련된 연구의 필요성이 대두하고 있습니다.

우리나라의 벼 육종기술은 세계적 수준이며 벼에 대한 많은 유전자원을 보유하고 있으나 농업적으로 중요한 환경 저항성 관련 유전자 분리 개발과 이를 이용한 형질전환 벼 개발 연구는 미흡합니다. 따라서 쌀을 주식으로 하는 우리나라의 경제 및 대외 경쟁력을 고려하였을 때 형질전환 벼 개발 기술과 기존의 우량품종에 환경저항성과 관련된 유전자들을 도입한 벼 품종 개발로 환경 독립적 농업개발이 요구되고 있습니다.

따라서 본 연구실은 promoter trap, advanced RAM approach, activation tagging, 그리고 EMS mutagenesis 등과 같은 다양한 유전체 기능 연구를 통하여 확보된 애기장대의 변이체 pool로부터 다양한 환경 저항성, 녹화 연장과 관련된 신기능성 유용 유전자 및 애기장대 유전자와 상동성을 가지는 벼 유용 유전자를 발굴하여 벼에서의 활용성을 연구하며, 기능이 검증된 유용 유전자원을 벼 품종 개발에 적용하여 다양한 환경 저항성, 녹화 연장 등을 통해 생산성 증대에서 최적 형질을 가지는 신기능성 벼 형질전환체 개발을 목적으로 하고 있습니다.

세포 내 활성산소 제거와 관련된 항산화 유전자의 발굴

모델 식물시스템인 벼와 애기장대로 항산화 유전자를 도입

※ 염분, 건조, 동결 등의 스트레스를 주었을 때 항산화 유전자를 도입한 식물체가 건강성을 잃지 않고 내성을 보임

그래서 본 연구팀은 벼 형질전환 기술을 확립하고 이를 통하여 우량 벼 형질전환 작물 개발에 집중하고 있는 중입니다.
식물의 항산화 활성의 향상과 오존 내성 식물의 개발 및 복합환경 재해 내성 작물 개발을 위한 미토콘드리아 항산화 대사 조절 연구를 수행하는 동안 극지식물, 애기장대, 배추, 벼 등의 다양한 식물로부터 관련 유전자들을 성공적으로 클로닝, 기능분석을 활발히 수행하여 다수의 국외 전문 학술지에 발표하였습니다. 또한, 이들 항산화 관련 유전자들을 벼에 성공적으로 형질전환 시켰고 스트레스 내성 실험을 수행하고 있습니다.