미생물을 이용한 바이오 수소 생산의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 디지털 모델이 개발됐다.

중국과학원 톈진 공업생물기술연구소 등이 참여한 공동 연구팀은 미생물 성장과 수소 생산 효율 사이의 상충 관계를 규명한 '효소 제약 유전체 규모 대사 모델(ecGEM)'을 개발했다고 8일(현지시간) 밝혔다. 이 연구 결과는 국제학술지 '환경 과학 및 생태기술'에 게재됐다.

바이오 수소 생산 기술은 유기성 폐기물을 활용하는 친환경 방식으로 주목받아왔다. 하지만 미생물이 성장하는 데 쓰는 에너지와 수소를 만드는 데 쓰는 에너지가 충돌해 생산 효율이 낮은 한계가 있었다.

연구팀은 수소 생산균 '에타놀리게넨스 하르비넨세 YUAN-3'의 대사 과정을 분석했다. 그 결과, 미생물 내 한정된 '효소 자원'이 성장과 수소 생산 중 어느 한쪽에 집중되면서 효율이 저하되는 것을 확인했다.

새로 개발된 모델은 이러한 효소 자원의 배분 문제를 정량적으로 계산한다. 이를 통해 기존 모델보다 정확하게 성장 속도와 수소 생산량을 예측했으며, 예측 정확도는 91.42%에 달했다.

특히 모델 시뮬레이션을 통해 특정 아미노산 합성에 자원을 유도하면 부산물인 에탄올 생성이 줄고 수소 생산량이 늘어나는 것을 발견했다. 또한 특정 유전자(Ethha_1547)를 제거할 경우 수소 생산량이 약 30% 증가할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 "이번 모델은 미생물 내 숨겨진 상충 관계를 가시화해, 주먹구구식 최적화를 넘어선 합리적인 균주 설계 경로를 제공한다"고 설명했다. 이 기술은 향후 다양한 기질을 사용하는 혼합 발효 공정이나 미생물 군집 연구에도 확장 적용될 수 있을 것으로 기대된다.