By Daniel Nocera, WIRED UK

광합성은 전 세계 많은 에너지의 원천이다. 건물을 짓는 데 필요한 목재와 의류 제작에 필요한 섬유, 생명 유지를 위한 음식, 그리고 의약품, 염색 원료, 고무, 그리고 화석 연료까지 다양한 물질을 제공한다. 실제로 현재 우리 사회에서 파괴하는 나무의 양을 따져보면, 100만 년간의 광합성으로 생성되는 물질의 양과 맞먹는 수준이다. 2021년에는 광합성이라는 매우 강력한 과정을 인위적으로 최대한 활용하는 방향으로 변화해야 한다.

광합성은 2단계에 걸쳐 이루어진다. 먼저 빛이 있는 환경에서 이루어진 다음 어두운 환경에서 또다시 이루어진다. 낮에는 잎이 햇빛의 광자에서 나오는 에너지를 이용해, 물을 구성 성분인 산소와 수소로 분해한다. 이때, 산소는 대기로 방출된다. 반면, 수소는 니코틴아미드아데닌 다이뉴클레오타이드인산(NADPH)이라는 분자의 구성 요소로 저장된다. 밤에는 잎이 대기 중의 이산화탄소를 흡수하고, 태양에서 생성된 수소와 합성해, 당류와 같은 형태로 화학 에너지를 공급한다.

2단계에 걸친 광합성 과정을 모방하기 위해 하버드대학교에 재직 중인 필자는 동료와 함께 ‘인공 잎(Artificial Leaf)’과 ‘생물 공학 잎(Bionic Leaf)’이라는 두 가지 기기를 제작했다. 인공 잎은 각각의 잎에 붙어있는 실리콘으로 제작된 다양한 촉매제를 지닌 태양 셀이다. 물에 스며들면서 햇빛의 에너지를 이용해 물을 산소와 수소로 분해한다. 생물 공학 잎은 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha)라는 박테리아를 주입하는 방식으로 인공 잎의 원리를 확대한다. 랄스토니아 유트로파는 대기 중의 이산화탄소를 흡입하고, 인공 잎의 수소와 합성해 액체 연료를 생성한다.
 
올해, 필자의 연구팀은 랄스토니아 유트로파를 크산토박테르 오토트로피쿠스(Xanthobacter autotrophicus)로 대체해, 대기 중의 질소를 인공 잎이 생성한 수소와 결합한 뒤 비료를 만드는 데 성공했다. 결과적으로 햇빛과 공기, 물만 사용해 재생 에너지와 식품 생성의 기본 요소를 만들 수 있었다.

인공 광합성은 자연 광합성보다 10배 더 효율적이다. 필자의 연구팀은 내년에 인공 광합성 기술을 실질적인 방법으로 확대할 방안을 찾기 시작할 계획이다. 단기적으로는 인공 광합성이 탄소를 배출하지 않는 새로이 분산화된 에너지와 식품, 제조 기본 구조가 될 것이다. 일례로 지역 사회에서는 이미 수소를 사용해 차량의 연료를 공급한다.

필자의 연구팀은 장기적으로 태양에서 생성되기 시작한 플라스틱과 의약품, 화학 물질을 만들 방법을 찾을 것이다. 최종적으로는 인간이 화성으로 이동할 수 있을 때, 인공 광합성 과정을 이용해 우주비행사의 소변에서 나온 수분을 분해할 계획이다. 그리고, 이를 우주비행사가 호흡 과정에서 배출하는 이산화탄소와 결합할 것이다. 이 과정을 통해 합성 제작된 약물과 비타민, 식품, 의약품 등을 만들 것이다.

세계는 화석 연료를 사용하지 않고 필요한 것을 생성할 방법을 시급히 찾아 헤매고 있다. 2021년이면 처음부터 우리 코앞에 존재했던 광합성이라는 강력한 자연적 과정을 최대한 활용하는 데 한 발 더 가까이 다가갈 것이다.

** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
Harnessing the hidden powers of plants could help fix the climate