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[인터뷰] 재료공학부 남기태 교수님

2022-03-10l 조회수 464


연구하시는 분야에 대한 소개를 부탁드립니다.
식물의 광합성을 모방하는 인공 광합성입니다. 광합성이라는 거대한 자연의 메커니즘 속에는 인류가 아직 해결하지 못하지만, 배울만한 기술적 이슈들이 많이 들어 있습니다. 저는 그 중에서 물산화 반응과 이산화탄소 환원 반응의 전기 화학적 측면에 포커스를 맞추고 있으며, 그걸 위하여 필요한 재료 관점에서 무기물과 펩타이드 간의 상호작용에 의한 시너지 효과나 촉매로서의 역할 등에 관하여 연구하고 있습니다. 학문적 범주로 말하자면, 생체 모방 재료공학이고, 그 중에서도 주요 관심사는 단백질 모방이며, 광합성을 주된 연구 테마로 합니다.
식물의 광합성을 모방하는 이유는 무엇인지요?
인공 광합성 기술은 오늘날 문제가 되고 있는 이산화탄소에 의한 기후 온난화 문제를 해결하기 위하여 인류가 채택해야 하는 기술입니다.
지구에는 많은 양의 탄소가 있고, 모든 산화 과정의 최종 결과물은 이산화탄소입니다. 따라서, 이산화탄소가 계속 늘어나게 되므로 이것을 되돌리는 과정이 필요합니다. 지구의 거대한 생태계 관점에서 보면, 이러한 환원 작용은 광합성에 의하여 일어나는 것이지요. 식물이 태양을 에너지원으로 광합성을 일으키고, 이 과정에서 이산화탄소로부터 글루코스(당)가 만들어 집니다. 그리고, 먹이사슬을 통하여 우리가 살아가는 데 필요한 에너지로 만들고 그 과정에서 다시 이산화탄소가 배출됩니다. 그것이 오랜 세월 퇴적되어 석유나 가스가 된 것이고, 그걸 태우는 문명의 과정에서 더 이상 지구의 자정 작용만으로는 감당하기 어려운 정도의 이산화탄소 만들어 지니, 광합성을 더 빨리 할 수 있는 인공 광합성 기술이 필요한 것입니다.
연구하고 계신 인공 광합성 기술은 어떤 것인지요?
식물의 광합성에 필요한 재료는 이산화탄소이고, 에너지원은 태양입니다. 그리고, 이산화탄소 환원 반응을 위해서는 전자를 공급하여야 하는데, 그 전자는 물에서 가지고 오는 것입니다. 물이 전자의 저장고인 셈이지요. 요즘 그린 수소를 만드는 과정처럼, 물에 전압을 가하여 물 산화 반응을 통하여 전자를 얻는데, 이 때 촉매가 필요합니다. 현재 인류의 기술은 주로 이리듐을 물 산화 반응의 촉매로 쓰는데, 식물은 토양에서 얻은 망간을 클러스터에 저장했다 필요할 때 촉매로 쓰는 겁니다. 망간이라는 값싼 재료를 쓰면서, 촉매 효율 또한 높은데, 문제는 단백질 아미노산에 둘러싸여 있는 망간의 구조를 쉽사리 재현할 수 없다는 것입니다. 이 문제를 해결하고자 하는 것이 제 연구 분야 중의 하나입니다.
높은 인용수의 비결은 무엇인지요?
앞서 말씀드린 문제와 같은 인공 광합성 속의 여러 난제를 해결하려다 보니, 많은 성과들이 세계 최초 기술이 되는 것이 많았고, 그러다 보니 자연스레 논문 인용수도 많이 올라간 듯 합니다.

인공 광합성에 관한 연구는 서울대에 부임하고 난 후인 2010년부터 본격적으로 시작했고, 현재 연구실에는 25명의 석박생 학생이 있습니다. 저는 미국에서 박사 학위와 포닥을 하는 동안, 주로 생명체의 전기화학이나 인공 단백질에 관한 연구를 했었습니다만, 당시 인공 광합성에 대한 연구가 슬슬 시작되는 것을 보고, 관심을 가지게 되었지요. 그리고 어느 덧, 전세계적으로 치열한 경쟁과 협업이 이루고 지고 있는 분야가 되었습니다.
세계 최초로 개발하여 네이처에 소개된 카이랄 구조는 어떤 것인지요?
2018년 네이처에 소개된 내용 (https://www.nature.com/articles/s41586-018-0034-1) 인데, 이 또한 광합성 연구와 연계된 기술입니다.
앞서 설명드린 망간 촉매처럼, 펩타이드와 무기물 간의 결합 구조를 재료 합성에 응용한 것이 카이럴* 구조입니다. 생화학 반응은 단백질과 단백질 사이의 상호 작용으로 일어나는데, 이 때 오른손(L) 타입, 왼손(D) 타입으로 구분되는 단백질 구조 중 서로 동일한 타입들끼리만 선택적으로 반응합니다. 이러한 원리를 금속
나노 입자에 적용한 생체 모방의 사례이며, 촉매 분야 등에 있어서 중요한 역할이 기대되는 기술입니다.
* 주 : 카이랄 (chiral) 이란, 그리스어 ‘손’에서 유래된 말로, 왼손과 오른손처럼 서로 거울상을 갖는 물체가 회전이나 평행이동에 의해 겹쳐지지 않는 성질을 말합니다.
산업계와의 교류는 어떠신가요?
식물이 광합성을 통하여 이산화탄소를 글루코스로 만들어 낸다면, 우리는 인공광합성을 통하여 보다 유용한 폴리머를 만들 수 있습니다. 이런 CCUS (Carbon Capture, Utilisation and Storage) 분야에 대하여 산업계와의 교류를 시도할 수 있을 것이고, 부가가치 및 경제성 있는 아이디어를 실현하고자 준비하고 있습니다. 공전원 학생들과의 교류도 기대합니다.
연구실 홈페이지: http://www.nkitae.org
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