본교 화학과 동문 강원철 박사의 제1저자 논문이 세계 최고 권위의 학술지인 사이언스(Science, 인용지수 41.845)에 7월 20일 게재되었다.

 

강원철 박사는 2015년 본교 화학과에서 양진국 교수의 지도로 박사학위를 수여한 후 현재 캘리포니아 주립대학교 어바인 캠퍼스 (UC Irvine) 화학과의 Markus Ribbe 교수의 지도로 박사후 연구과정에 있으며 최근 수년간 ‘질소고정효소 (nitrogenase)’의 작용 메커니즘 규명 연구를 수행해 오고 있다.

 

질소는 단백질과 핵산을 구성하는 핵심적인 원소로서 생명체가 외부환경으로부터 반드시 획득해야 하는 원소이다. 획득 과정은 대기 중에 기체 분자로 떠다니는 질소기체 (N2)가 질소고정효소에 의해 암모니아 (NH3)로 환원되어 생명체 내부의 생체분자 구조 속으로 고정되는 것이다. 하지만 질소기체는 화학적으로 매우 안정하여 환원은 촉매의 도움을 필요로 한다.

 

현재 산업적으로 널리 사용되는 하버보슈법은 200기압과 500°C에 달하는 고온고압에서 암모니아를 합성하는 방법으로 전세계 에너지 생산량의 1%를 소비하고 있고, 전세계 이산화탄소 배출량의 1.4%를 차지하고 있다. 반면 질소고정효소에 의한 생물학적 질소고정은 상온에 존재하는 질소기체를 암모니아로 바꿀 수 있기 때문에 에너지 소모가 매우 적고, 환경 친화적이다. 또한 대기의 78%가 질소기체로 구성되어 있지만 모든 식물은 질소기체를 직접 이용할 수 없기에 농업분야에서 질소고정효소를 비료로 이용하기 위한 노력을 기울이고 있다. 최근에는 질소고정효소에 의해 일산화탄소(CO) 혹은 이산화탄소(CO2)로부터 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8) 등 연료로 쓰이는 탄화수소화합물을 생산하는 것으로 알려져 차세대 바이오연료(biofuel)로써 주목받고 있다.

 

생물학적 질소고정작용의 메커니즘 이해는 학문적으로 필요할 뿐만 아니라 산업적으로도 매우 큰 관심을 받고 있는 중대한 연구과제인데, 강원철 박사는 이번 연구를 통해 질소기체가 결합된 FoMo-cofactor의 분자구조를 처음으로 밝혀내어 관련 학계의 큰 주목을 받고 있다.

 

질소고정효소의 연구는 1800년대에 시작하였지만 핵심적인 연구는 1990년 이후 X선 결정학에 의해 질소고정효소의 핵심 단백질인 MoFe 단백질과 Fe 단백질의 분자구조가 규명된 이후 시작되었다. 질소고정효소는 대표적인 금속효소로 질소의 환원을 담당하는 MoFe 단백질과 MoFe 단백질에 전자를 전달하는 Fe 단백질로 구성되어 있다. 두 단백질은 철(Fe)/황(S) 혹은 몰리브데늄(Mo)/철(Fe)/황(S)의 무기 클러스터를 가지고 있어서 검은색을 띠고 있고, 이러한 무기 클러스터를 포함하기기 때문에 산화에 민감하여 산소농도가 5 ppm 이하인 챔버에서 실험이 이루어 진다.

 

 

강박사는 “대학원과정부터 현재 박사후 연구원에 이르기까지 많은 분들의 도움을 잊을 수 없다. 특히 박사과정의 지도교수님인 양진국교수님의 조언은 현재 일을 하면서도 문득 생각하게 되는 순간들이 있다. 이번에 발표한 논문에 추가적으로 Nitrogenase의 구성 요소 중에 아직 구조와 기능이 밝혀지지 않은 효소에 대한 연구도 진행 중”이라고 밝혔다.

 

지도교수였던 양진국 교수는 “질소 환원 문제는 화학의 오랜 연구 주제로 매우 유명하다. 강원철 박사의 이번 성과는 질소 환원 효소의 작용 메커니즘 연구에 새로운 지평을 열었다고 생각한다”며 “지도교수로써 이렇게 중요한 연구가 숭실대 졸업생에 의해 이루어진 것이 뿌듯하고 자랑스럽다. 대학원 시절 특유의 집중력과 끈기로 연구 과정의 난제들을 잘 해결했던 강 박사는 앞으로 더욱 탁월한 연구자가 될 것임을 믿어 의심치 않는다”고 응원했다.

 

한편, 강원철 박사는 2002년 본교 화학과에 입학해 2009년 학사, 2011년 석사, 2015년 박사 학위를 수여하였다. 이후 미국으로 건너가 미국국립보건원 (National Institute of Health)과 캘리포니아 주립대(UC Irvine)에서 박사후 연구원으로 재직 중이다.

 

홍보팀(pr@ssu.ac.kr)