▲ 사진=전북대  © 특허뉴스

이산화탄소보다 30배 이상 강력한 온실가스인 메탄은 자연계에서 유용한 자원인 메탄올로 전환되지만, 그 분자 수준의 작동 원리는 오랫동안 과학적 난제로 남아 있었다. 국내 연구진이 이 난제를 풀어내며, 메탄 저감과 친환경 연료 전환을 잇는 결정적 단서를 제시했다.

전북대학교 이승재 교수 연구팀(황윤하·박소연 대학원생)은 극저온 전자현미경(cryo-EM)을 활용해 자연계에서 메탄을 메탄올로 바꾸는 핵심 단백질 복합체의 구조와 작동 메커니즘을 원자 수준에서 규명했다고 밝혔다. 이번 성과는 그동안 ‘자연스럽게 일어난다’고만 알려졌던 메탄 산화 반응의 구조적 변화와 단계적 진행 순서를 과학적으로 처음 설명했다는 점에서 의미가 크다.

자연계 일부 미생물은 수용성 메탄모노옥시게나제(sMMO)라는 단백질을 이용해 메탄을 메탄올로 산화한다. 그러나 기존의 X-선 결정학은 단백질을 고정된 결정 상태로 분석해야 해, 물속에서 실제로 작동하는 단백질의 동적 움직임을 관찰하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 단백질을 영하 180도 이하로 급속 냉동해 자연 상태에 가까운 구조를 포착하는 cryo-EM 기법을 도입했다.

그 결과, 7개 이상의 폴리펩타이드로 구성된 복합체가 결합과 해리를 반복하며 메탄을 메탄올로 바꾸는 과정을 단계별로 확인했다. 즉, 반응이 단일 구조의 고정된 작동이 아니라 다단계 구조 변화를 거쳐 진행된다는 사실을 명확히 밝힌 것이다. 이는 메탄 산화 반응의 효율과 선택성을 이해하고 제어하는 데 필수적인 정보다.

이번 연구는 전북대를 중심으로 국내외 공동연구로 수행됐다. 제1저자인 황윤하 대학원생은 기초과학연구원(류범한 박사)과 University of Maryland School of Medicine(Edwin Pozharski 교수) 연구진과 협력해 고해상도 구조 분석을 완성했다. 지역거점국립대학이 세계 수준의 기초과학 연구를 주도할 수 있음을 보여준 사례로도 평가된다.

이승재 교수는 “이번 성과는 메탄을 활용한 친환경 연료 생산과 인공 촉매 개발의 기초 자료로 활용될 수 있다”며 “온실가스를 줄이면서 동시에 자원으로 전환하는 기술로 이어질 가능성이 크다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

연구 결과는 세계적 학술지 Advanced Science 최신호 온라인판에 게재됐다.