[글로벌 장학생 리포트] 박민구 장학생의 Pest Management Science 학술지 게재 논문 해석 칼럼
서울대학교 농생명공학부에서 곤충학, 그 중에서도 곤충미생물공학을 전공하고 있는 박사과정 3년차 박민구입니다.
곤충은 대략 3억 8천만년 전 혹은 그 이전부터 지구를 꾸준히 지키고 있는, 우리 옆에 가장 가까운 존재입니다. 생물다양성의 대표주자인 곤충은 지구상 생물종의 70% 이상을 차지하고 있으며, 관련된 미생물(박테리아, 바이러스, 곰팡이)은 그 수와 다양성이 훨씬 방대합니다. 곤충 미생물은 외부환경에서도 뛰어난 생존능력을 지니고 있으나, 그 메커니즘은 아직 밝혀진 것이 부족해 흥미로운 연구분야입니다. 저희 연구 분야에서는 곤충의 자체 생체방어기작과, 병원 미생물이 이를 뚫고 침입해 감염, 발병을 일으키는 메커니즘을 활용한 농약, 의약, 신기능성 바이오 소재 연구개발에 힘을 쏟고 있습니다.
이번 글로벌 우수 연구를 통해 논문이 게재된 학술지는 Pest Management Science라는 SCI급의 국제 학술지로 Entomology (곤충학) 부분 상위 5%에 해당하며 1970년부터 작물 보호와 해충 방제에 대한 상당한 수준의 연구 결과가 발표되는 권위있는 저널입니다.
2020년 전세계가 COVID-19 팬데믹으로 혼란스러운 상황을 겪고 있는 것처럼, 2010년은 토종벌(Apis cerana)에게 최악의 해였습니다. Sacbrood virus(SBV), 즉 낭충봉아부패병이라는 single-stranded RNA 바이러스의 발병으로 국내에서만 90%에 달하는 토종벌들이 폐사해 거의 멸종에 이르기까지 했습니다. 10년이 지난 지금까지도, 상용화된 치료제는 없습니다.
저널에 소개한 저의 연구는 멸종 위기에 처한 토종벌 바이러스의 치료에 관한 것입니다. 본 연구에서는 RNA interference (RNAi), 즉 유전자간섭 현상을 이용하였습니다. 유전자 간섭 현상은 dsRNA (double-stranded RNA) 등에 의해 일련의 과정을 통해 특정 상동 mRNA를 선택적으로 분해하여 유전자의 발현을 조절하는 현상으로, 높은 특이성을 가지고 있으며 대표적으로 유전차 치료에서 많이 사용하는 기술입니다. RNAi 현상의 핵심 요소는 dsRNA이며, 화학적 합성에 값비싼 생산비용이 들었지만, 이를 Bacillus thuringiensis (Bt)라는 토양미생물에서 경제적이며 대량으로 생산해내는 기술을 개발하였습니다. Bt 미생물이 가지고 있는 균주의 특성중 Cyt 독소 생산에 관련된 강력한 프로모터와, 유전자를 과발현 및 안정화 시켜주는 STAB-SD 시퀀스를 포함하여 형질전환을 통해, 유전자의 전사 수준에서 dsRNA의 대량생산이 가능하였습니다. 형질전환 Bt를 통하여 만들어진 SBV 특이적인 dsRNA를 (낭충봉아부패병 치료제 역할) 꿀벌에게 먹인 결과 내부에서 증식하고 있던 바이러스의 양이 급격하게 줄어든 것을 확인 할 수 있었습니다. 또한 꿀벌에게 안정적이고, 효과도 지속되었음을 확인 할 수 있었습니다. Bt라는 미생물의 특성을 응용하여 dsRNA를 경제적으로 대량 생산하는 플랫폼을 최초로 개발하였고, 이를 통해 꿀벌의 낭충봉아부패병 치료에 눈부신 효과를 나타낸 의미 있는 연구라 할 수 있습니다.
곤충 미생물 연구의 중요성은 활용 분야가 단순히 곤충에 한정되지 않는다는 것입니다. dsRNA 대량생산 시스템이 본격적으로 갖춰진다면, 농업, 유용 동물의 바이러스 억제뿐만 아니라 인간의 유전자 치료에도 적용 가능해 그 활용 분야가 산업군을 넘나들며 무궁무진하다고 할 수 있습니다. 앞으로도 저는 미생물공학도로서 더욱 가치있는 발견을 위한 연구를 게을리하지 않을 것입니다. 동시에 기술사업화를 위한 특허 전략 및 가치 평가 공부도 병행해, 무궁한 가치와 잠재력을 가진 곤충학 연구가 다양한 산업에서 실질적으로 활용돼 더 많은 이들에게 도움을 줄 수 있도록 노력할 예정입니다.
[글로벌 장학생 리포트] 조성헌 장학생의 Applied Energy 학술지 게재 논문 해석 칼럼
안녕하세요. 저는 세종대학교 환경에너지융합학과 환경촉매연소연구실에서 박사과정 재학 중인 조성헌 이라고 합니다. 현재 저는 이산화탄소 활용 열 화학 공정 기반 폐기물/폐자원 에너지 전환 및 오염물질 제어에 대해 공부하고 있습니다. 이번 칼럼을 통해 저의 연구결과를 장학생 분들께 소개드릴 수 있어 매우 영광스럽게 생각하고 있습니다. 이러한 기회를 제공해주신 현대차 정몽구 재단에 감사드립니다.
이번 칼럼에서 소개드릴 연구주제는 간단히 말씀드리면 “폐타이어의 에너지 전환” 입니다. 여러분들이 어디로 가거나, 주문한 물건을 운반해주는 운송수단은 현대 문명의 필수 요소입니다. 이러한 운송수단 중 대부분을 차지하는 자동차의 구동에 필수적인 타이어는 매년 막대한 양이 생산되고 또한 버려지고 있습니다. 버려진 폐타이어는 현재 고무 분말, 밧줄, 연료로써 재활용이 되고 있는데, 연료로써 사용되는 비중이 큽니다. 주로 연료로 사용하는 곳은 시멘트, 제지공장 등으로 폐타이어를 연소시켜 생산공정에서 필요한 열에너지를 얻곤 합니다. 하지만, 폐타이어의 연소는 매연을 통해 막대한 양의 대기 오염 물질을 배출한다는 점에서 환경 문제를 야기하고 있습니다.
그래서, 타이어를 연료가 아닌 화학산업 및 에너지 원료로써 재사용하고자 열분해 라는 기술이 연구 및 도입되고 있습니다. 열분해를 간단히 설명하면 물질에 열을 가해서 가스, 액체, 고체의 3가지 물질로 전환하는 기술입니다. 각 3 가지 생산물은 각기 다르게 사용되는데, 열분해 가스는 수소, 메탄, 일산화탄소 성분이 함유되어 있기 때문에 에너지원으로 사용하거나 추가 공정을 통해 다른 화학물질로 전환 될 수 있습니다. 액체는 열분해 오일이라고 하여, 가스와 비슷하게 추가 공정을 통해 연료나 다른 화학물질로 전환 가능합니다. 고체는 세정 후 흡착제나 토양개량제로 사용됩니다. 하지만, 이런 열분해 공정을 통한 타이어의 활용에서 문제점으로 제기되는 것이 타이어의 열분해 오일 내 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 및 다환방향족 탄화수소(Polycylic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)의 높은 함량입니다. 이 물질들의 높은 함량은 발암, 대기 및 토양오염등의 보건×환경적 문제를 일으킬 수 있기 때문에 공정 중 촉매를 사용하여 오일 내 해당 물질들의 함량은 낮추는 연구들이 진행되어져 왔습니다.
본 연구에서 질소 가스를 열분해 공정 가스로 사용하는 기존 공정과는 다르게 온실가스인 이산화탄소를 주입하여 이산화탄소의 타이어 열분해 공정에 대한 영향, 그리고 산업폐기물인 제강슬래그의 촉매로써 활용에 대한 연구를 진행하였습니다. 이산화탄소를 활용하였을 때 열분해 오일 생성과 열분해 오일 내 PAHs와 VOCs의 함량이 줄어드는 대신, 수소와 일산화탄소를 포함한 열분해 가스 생성이 증대되는 연구결과를 얻을 수 있었습니다. 이러한 실험적 결과는 이산화탄소가 타이어 열분해 공정 중 열분해 오일 생성 반응에 참여하여 오일 생성 및 PAHs와 VOCs의 생성을 억제하고 가스 생성을 증대시키는 역할을 한다는 것을 제시해줍니다. 또한 제강슬래그를 촉매로 사용하였을 때, 이러한 반응이 더욱 증대되는 것을 실험적으로 규명하였습니다. 이를 통해 온실가스인 이산화탄소가 열분해공정에서 원료로서 사용되어 수소와 일산화탄소를 포함한 에너지원의 생산량을 증대시킬 수 있으며, 산업폐기물인 제강슬래그가 이산화탄소 활용 열분해 공정 촉매로서 활용될 수 있음을 제시합니다. 이러한 연구결과를 통해서 Applied Energy 지에 Catalytic Pyrolytic Platform for Scrap Tires Using CO2 and Steel Slag 논문을 게재하였습니다. 감사합니다.
