차세대 바이오 연료인 에탄올 상용화를 위한 핵심과제 연구에 활용

엔비디아(CEO 젠슨황)는 테슬라(Tesla) GPU로 가속되는 타이탄(Titan) 슈퍼컴퓨터가 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 제레미 스미스(Jeremy Smith) 박사가 진행하는 차세대 바이오 연료 개발 연구에 핵심적인 역할을 한다고 밝혔다. 

미국의 자동차 회사 ‘포드’의 창업자인 헨리 포드(Henry Ford)가 ‘차세대 연료’라 칭한 바 있는 에탄올(Ethanol)은 옥수수에서 추출되는 바이오 연료로, 재생 가능한 수송연료로서 광범위한 분야에서 활용될 수 있다. 그러나 에탄올의 생체분자 구조학적 특성은 에탄올을 경제적인 가치 창출이 가능한 수준으로 대량 생산하는 데 장애물로 작용하고 있다. 미국 에너지국(DOE) 산하 오크리지 국립연구소의 과학자 제레미 스미스 박사는 슈퍼컴퓨터 타이탄을 활용해 이러한 문제를 극복하기 위한 연구를 진행했다.

제레미 스미스 박사와 미국 에너지국 산하의 바이오에너지사이언스센터(BioEnergy Science Center, BESC) 내 연구팀은 역사상 가장 거대하고 복잡한 생체분자 시뮬레이션을 매우 상세한 수준으로 진행하기 위해 슈퍼컴퓨터 타이탄을 활용했다.

연구의 중점은 식물 세포벽의 주요 구성성분인 리그닌(Lignin)이다. 식물 원료가 단당류의 형태를 거쳐 바이오 연료인 에탄올로 최종 변환되는 과정에서 매우 중요한 부분은 셀룰로스(Cellulose) 분해이다. 그런데 리그닌이 구성하는 식물 세포벽은 셀룰로스 분해 효소를 차단하는 역할을 한다. 따라서 리그닌을 추출해내는 것은 비용효율적인 에탄올 생산에 핵심이라 할 수 있다.

제레미 스미스 박사의 연구팀은 2,370 만개 원자로 구성된 바이오매스 시스템을 타이탄 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션함으로써, 리그닌의 결착성에 관한 대규모 관찰을 진행할 수 있었다. 연구팀은 본 시뮬레이션을 통해 얻은 인사이트를 다른 실험 결과들과 함께 결합해 새로운 화학 사전처리 개발 및 바이오 연료 산출량 향상에 활용했다. 

연구 결과, 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF)과 물로 구성된 실험용 혼합액과 리그닌으로 구성된 25만개 원자 모델에서 혼합액이 물과 리그닌 간 장벽 역할을 하는 것으로 나타났다. 즉, THF와 같은 용매를 완충액으로 사용할 경우, 바이오 연료 처리 과정에서 리그닌을 쉽게 제거 할 수 있는 것이다.

이 모델을 통해 리그닌의 결합 선호도가 선택적으로 나타나며, 결정 셀룰로스 섬유에 대한 선호도가 높다는 점도 밝혀졌다. 이는 엔비디아 테슬라 GPU를 탑재한 슈퍼컴퓨터 타이탄으로 진행한 대규모 컴퓨터 시뮬레이션이 없었다면 파악이 불가능했던 상세정보였다.  

제레미 스미스 박사의 연구팀은 상대적으로 작은 규모인 20만개 원자 시뮬레이션 모델을 통해 리그닌의 작용 방식에 대해서도 관찰했다. 연구팀은 자연적인 바이오매스 시스템 및 유전자 변형 바이오매스 시스템에서 리그닌과 식물 세포벽의 또 다른 주요 구성 요소인 헤미셀룰로스(Hemicellulos)를 비교해, 변형된 리그닌의 소수성 또는 발수성이 바이오 연료의 산출량을 어떻게 증가시킬 수 있는지에 관한 인사이트를 도출했다. 이러한 인사이트는 바이오 연료 생산 과정에서 식물을 보다 쉽게 분해하기 위한 후속 연구에 유용하게 활용될 전망이다.