합성 미생물을 활용한 탄소 포집 및 활용 기술

지구 온난화의 주요 원인인 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 기술 중 하나로 ‘합성 미생물’을 활용한 탄소 포집 및 활용(CCU, Carbon Capture and Utilization) 기술이 주목받고 있다. 기존 물리·화학적 포집 기술이 높은 비용과 에너지 소비의 한계를 지닌 반면, 생물학적 접근법은 친환경적이며 지속 가능하다는 장점을 갖는다. 합성 생물학의 발전으로 미생물의 대사 경로를 조절하거나 새롭게 설계함으로써, 이산화탄소를 직접 흡수하고 유용한 화합물로 전환하는 기술이 실현되고 있다. 본문에서는 이러한 합성 미생물 기반 탄소 포집 및 활용 기술의 원리, 실제 응용 사례, 그리고 산업적 전망을 구체적으로 살펴본다.

 

합성 미생물 기반 탄소 포집 기술의 등장 배경

기후 변화는 인류 생존을 위협하는 가장 심각한 환경 문제 중 하나이다. 산업화 이후 급격히 증가한 이산화탄소 배출은 지구 평균기온 상승과 해수면 상승, 생태계 붕괴를 초래하고 있다. 이에 따라 탄소 배출을 줄이거나 대기 중 탄소를 직접 포집하는 기술이 전 세계적으로 연구되고 있다.
기존의 물리적 포집 방식(CCS, Carbon Capture and Storage)은 이산화탄소를 포집하여 지하에 저장하는 방식이지만, 저장 공간의 한계와 누출 위험, 경제적 부담이라는 문제가 존재한다. 반면 생물학적 탄소 포집은 미생물이나 식물의 대사 작용을 이용해 탄소를 안정된 유기물 형태로 고정하거나, 산업적 원료로 전환할 수 있다는 점에서 주목받는다.
특히 최근에는 합성 생물학의 발전으로 기존 미생물의 탄소 고정 능력을 강화하거나, 새로운 대사 경로를 설계하여 **‘인공 탄소 포집 생명체’**를 만드는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 기술은 단순한 온실가스 저감 수단을 넘어, 대기 중 이산화탄소를 유용한 자원으로 바꾸는 탄소 순환 생명공학의 핵심 전략으로 부상하고 있다.

 

 

합성 미생물의 원리와 탄소 고정 메커니즘

합성 미생물은 인위적으로 조작된 유전자를 통해 자연계에 존재하지 않는 대사 경로를 구현할 수 있는 생명체이다. 이러한 미생물은 주로 세 가지 방식으로 탄소를 포집하고 활용한다.
첫째, 자기 탄소 고정(Self-fixation) 방식이다. 일반적으로 미생물은 유기탄소를 이용해 성장하지만, 합성된 미생물은 루비스코(RuBisCO) 효소나 탄산무수화 효소를 발현시켜 대기 중 이산화탄소를 직접 흡수한다. 이 과정을 통해 미생물은 외부 탄소 공급 없이도 자가 생장을 지속할 수 있다.

둘째, 이산화탄소 환원 대사 경로 도입이다. 일부 미생물은 원래 이산화탄소를 메탄, 포름산, 아세트산 등의 화합물로 환원시킬 수 있는 효소를 가지고 있다. 합성 생물학자들은 이러한 효소 유전자를 다른 미생물에 삽입하여, 인공적으로 CO₂ 에서 유기 화합물 변환 경로를 강화한다. 예를 들어, 클로스트리디움(Clostridium) 균주는 CO₂를 에탄올로 전환하는 능력을 가지고 있어, 탄소 기반 바이오연료 생산에 활용된다.

셋째, 광합성 미생물 시스템 통합이다. 미세조류나 시아노박테리아에 이산화탄소 고정 경로를 최적화하여, 광합성 효율을 높이는 연구가 진행되고 있다. 이들은 대기 중 CO₂를 흡수하면서 동시에 지방산, 단백질, 바이오폴리머 등을 합성할 수 있어, 산업적 활용도가 높다.
이처럼 합성 미생물은 기존 생물학의 한계를 넘어, 이산화탄소를 원료로 활용하는 인공 생태 시스템의 기반이 되고 있다.

 

 

탄소 포집 및 활용(CCU)의 실제 응용 사례

합성 미생물 기반 탄소 포집 기술은 이미 여러 산업 분야에서 실험적 또는 상용화 단계에 진입하고 있다.
첫 번째 응용 분야는 바이오 연료 생산이다. 예를 들어, 이산화탄소를 직접 메탄올, 부탄올, 에탄올 등 액체 연료로 전환하는 미생물이 개발되고 있다. 합성 생물학 기술을 통해 미생물의 효소 반응 경로를 재설계하면, 기존 화석연료 공정보다 에너지 효율이 높고 오염 배출이 적은 친환경 연료 생산이 가능하다.

두 번째는 바이오 플라스틱 생산이다. 일부 합성 미생물은 CO₂를 흡수해 생분해성 고분자(PHA, PLA 등)를 합성할 수 있다. 이는 플라스틱 오염 문제를 줄이는 동시에, 대기 중 탄소를 고정하는 효과를 가진다. 이미 유럽과 일본에서는 이러한 생물학적 탄소 고정형 바이오 플라스틱의 산업화 연구가 활발히 진행 중이다.

세 번째는 화학소재 및 의약품 생산이다. 이산화탄소를 기초원료로 이용해 유기산, 아미노산, 비타민 등의 고부가가치 화합물을 생산하는 시스템이 연구되고 있다. 특히, 아세토게닉(acetogenic) 세균을 개량하여 CO₂를 기반으로 아세트산을 합성하고, 이를 다시 의약 전구체로 전환하는 기술은 경제성과 지속 가능성을 동시에 확보할 수 있다.
마지막으로, 산업 배출가스 정화 시스템에도 적용이 가능하다. 합성 미생물을 배출가스 처리 설비에 도입하면, 공장 굴뚝에서 나오는 CO₂를 실시간으로 포집해 유용 물질로 전환할 수 있다. 이는 탄소 배출권 거래제와 연계되어 기업의 환경 비용을 절감하는 새로운 전략으로 주목받고 있다.

 

기술적 과제와 미래 산업적 전망

합성 미생물 기반 탄소 포집 기술은 혁신적인 가능성을 지니고 있지만, 상용화에는 몇 가지 기술적 과제가 남아 있다. 첫째, 미생물의 안정성 확보 문제다. 유전적으로 조작된 생물은 환경 변화에 민감할 수 있으며, 장기간 운용 시 돌연변이로 인해 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 산업적 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 균주의 개발이 필요하다. 둘째, 대사 효율과 에너지 균형의 최적화가 필요하다. 이산화탄소를 환원하는 과정은 많은 에너지를 요구하기 때문에, 이를 보완하기 위한 광합성 결합형 시스템이나 외부 에너지 공급 메커니즘이 함께 고려되어야 한다. 셋째, 윤리적·법적 규제 문제도 해결해야 한다. 합성 생명체의 환경 방출 가능성에 대한 우려가 존재하므로, 안전성 평가와 규제 프레임워크 확립이 필수적이다. 그럼에도 불구하고, 이 기술은 미래 탄소 순환 경제(Carbon Circular Economy)의 핵심으로 자리 잡을 것으로 전망된다. 특히 재생에너지와 결합한 탄소-에너지 융합 시스템은 산업 전반의 탄소 중립 실현에 기여할 수 있다. 향후 연구는 인공지능을 활용한 미생물 대사 모델링, 유전자 네트워크 최적화, 고속 대사 분석 플랫폼 등으로 발전하면서, ‘살아있는 탄소 공장(Living Carbon Factory)’ 개념이 현실화될 것이다. 결국 합성 미생물을 이용한 탄소 포집 및 활용 기술은 단순한 환경 기술을 넘어, 기후 변화 대응과 산업 혁신을 동시에 이끄는 지속 가능한 미래 기술로 자리매김하고 있다.