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미국의 화학자들은 광합성의 메커니즘을 규명해 수소와 메탄 에너지의 자연생산을 시도하고 있다.

최근 일군의 미국 화학자들은 자신들의 실험실에서 인공적으로 광합성을 진행하는 일에 몰두하고 있다. 이들의 목적은 햇빛 물 이산화탄소와 같은 값싸고 흔한 천연재료를 새로운 에너지원으로 개발하는 것이다.

이들의 노력이 성공한다면 이론상으로는 이산화탄소로 인한 온실효과의 위협에도 효과적으로 대처할 수 있게 된다. 태양에너지를 수소 등의 액체에너지로 전환시킬 수 있는 광합성분자를 인공으로 만들어 냄으로써 현재의 석유수요를 줄일 수 있고 대기중의 이산화탄소를 직접 제거하는 효과를 얻는 것이다.

광합성연구의 선두에 선 MIT의 화학자 라이튼 박사는 "우리는 그리 비싸지 않은 분자를 만들어 지속적으로 사용하게 되길 바란다"고 말한다.
화학자들은 이미 광합성의 핵심이라 할 수 있는 분자메커니즘을 인공적으로 만들어내고 있다. 이 분자 메커니즘을 통해서 태양에너지는 녹색식물의 잎에 있는 엽록소분자를 때리게 된다. 태양에너지로부터 힘을 얻은 엽록소의 전자는 분자와 분자간을 뛰어넘기도 하고 마치 폭포처럼 떨어지기도 하면서 에너지를 전달한다. 이런 반응의 사슬을 따라 결과적으로 대기중에 있는 이산화탄소가 모든 생명체를 유지시켜주는 탄수화물로 전환되며 부산물로 산소가 대기중에 방출되는 것이다.

과학자들은 바로 이 과정을 응용해 조만간 탄수화물 뿐만 아니라 수소나 메탄 아니면 다른 형태의 화학에너지를 만들어낼 수 있다고 믿는다. 메탄은 천연가스의 주성분이며 메탄연소시에 방출되는 이산화탄소는 석유(석탄)연소시보다 훨씬 적다. 또 수소를 연소시킬 경우에는 이산화탄소가 전혀 나오지 않는다. 수소는 자동차의 연료로 쓰일 수도 있으며 산소와 결합해서 연료전지에 사용돼 전기를 만들기도 한다.

광합성의 열쇠,분자 메커니즘

광합성은 빛의 입자 즉 광자(photon)가 엽록소의 분자를 때림으로써 시작된다. 각각의 광자는 엽록소안의 전자를 추진시켜서 보다 활발히 움직이는 높은 에너지 상태로 올려 놓는다. 그러면 이 흥분된 전자는 가까이에 있는 '운반체'분자로 뛰어 넘는다. 이 단계는 전자가 분자를 뛰어넘는 일련의 과정 중 첫번째 것이며 해당 분자들은 엽록체내에 아주 일정하게 위치하고 있다.

이 과정에서 전자는 광자에게서 받은 에너지의 일부를 넘겨준다. 전자가 분자사이를 뛰어넘는 과정과는 별도로 전자가 넘겨준 에너지는 ATP(Adenosine TriPhosphate)라는 화합물로 된다. 이 화합물은 다음에 계속되는 탄수화물의 제조과정에서 중요한 역할을 한다.

전자의 흐름으로 다시 돌아오면, 도약한 전자들의 에너지 준위는 두번째 광자에 의해 다시 높아진다. 활발해진 전자들은 두번째 분자열로 떨어지게 된다. 이런 연속된 과정의 끝에 가서는 NADPH(Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate Hydride)라는 분자를 만들어낸다. 이 NADPH 분자는 전자를 저장하는 일종의 축전지 역할을 한다.

한편 광자가 첫번째 엽록소분자를 때리는 광합성의 시작단계에서 사라진 전자는 다시 채워져서 전체시스템을 최초의 상태로 회복시켜 놓아야 한다. 다시 채워질 분자는 물분자로부터 공급되나 이 메커니즘은 아직 완전히 규명되지 않고 있다. 밝혀진 것은 전자를 넘겨주면서 물분자가 수소원자와 산소로 나뉘고 산소는 대기 중으로 방출된다는 것이다.

과학자들은 자신들이 최근까지 얻어낸 것은 자연의 아주 기본적인 법칙에 불과하다고 말한다. "광합성에 관여하는 분자들은 신비로운 점이 아무 것도 없다. 그 분자들의 특별한 점이라면 사슬처럼 연결된 반응과정 중에 전자가 어느 한 방향으로 이동하도록 하는 특별한 공간배열을 갖추고 있다는 것이다." 텍사스대학의 말론크 박사의 말이다.

한편 어떻게 전자의 도약이 일어나는 가를 알아낸 것은 지난 6년간의 연구성과 중 가장 큰 업적이다. "전자가 뛰어 넘어야 하는 거리는 분자의 크기에 비해 굉장히 먼 것이다. 광합성 과정에서 전자는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 먼 거리를 뛰어넘을 수 있는 게 분명하다"고 멕렌든 박사는 말한다.

지구 환경 개선에도 일조

지난 몇년간 과학자들은 광자를 흡수해 전자를 추진시키는 광화학 반응을 재현할 수 있도록 분자조합을 만들어 보았다. 이런 분자조합은 1983년 아리조나 주립대학의 화학자들이 처음 만들었는데 이 분자는 전자를 내주는 것, 빛을 흡수하는 것, 전자를 받아들이는 것으로 구성돼 있다. 또 전체가 광화학 반응이 가능하도록 연결돼 있다. 이 분야의 과학자들이 현재 봉착해 있는 문제는 물분자가 어떻게 엽록소가 잃어버린 전자를 보충해줄 수 있는지에 관한 것이다. 과학자들은 이 과정을 완전히 이해하지는 못하고 있지만 망간화합물이 결정적인 역할을 한다는 것을 알아냈다.

쓸만한 에너지를 생산할 수 있는 광합성시스템을 만드는 데 있어 현재의 연구는 어느 정도의 수준에 도달해 있을까. 맥렌든 박사는 "많은 사람들이 아주 우수한 분자를 합성했고 광합성 전과정의 90%정도는 파악을 한 상태"라고 밝힌다. 그러나 그는 "이것은 우리가 다리를 건설하는데 90%정도의 공법만을 알고 있다는 것과 같다. 이 상태라면 누구도 그 다리 위를 지나가려고 모험하지는 않을 것 "이라고 부연한다.

또 현재의 문제들이 모두 해결된다해도 완성된 장치가 생산되기까지는 수년간 연구가 더 계속돼야 할 것 같다. 우선 광자에 의해 전달된 에너지 중 얼마만큼이 실제로 사용될 수 있을지 의문인데 이론적으로는 20~25%가 실용에너지로 전환 가능할 것이다.

기술적인 문제가 해결된다해도 경제성을 고려해야 한다. 그러나 태양 에너지를 액체연료로 전환해서 대기중의 이산화탄소를 제거한다는 장점은 경제성만으로 판단하기엔 너무나 중요한 문제다. 그래서 과학자들은 이 자연산 대체연료가 궁극적인 해결책이라는 희망을 갖고 연구를 서두르고 있는 것이다.

화학적인 에너지 흐름

광자가 엽록소 분자를 때리면 복잡한 구조의 단백질과 엽록소 안에서 광합성이 시작된다.
광자가 전자를 흥분시켜 높은 에너지 준위에 올려놓으면, 전자는 운반체 분자로 뛰어넘는다.
전자는 반응중에 에너지를 잃는다.에너지를 다시 얻기 위해 두번째 엽록소 분자로 뛰어넘고 그 곳에서 광자가 전자의 에너지 준위를 올려놓는다. 이 흐름은 NADPH의 합성으로 끝이 난다.

광화학 반응센터인 밖에 있는 ATP와 NADPH는 이산화탄소로 당분을 만들어낸다.
전체 시스템이 초기의 상태를 회복하기 위해서는 잃어버린 전자가 보충돼야 한다. 이것은 물분자에서 보충되며 반응이 일어나면 산소가 공기중으로 방출된다.