틴매일경제

사람들이 즐겨 먹는 빵은 어떻게 만들어질까? 빵을 만들기 위해서는 밀가루 반죽에 효모를 넣은 다음 발효시켜야 한다. 술을 빚을 때와 마찬가지로 효모는 반죽 속 당분을 분해하는 발효를 통해 알코올과 이산화탄소 기체를 만든다. 이 기체가 빵 반죽을 부풀게 하는 것이다.

효모 속 어떤 성분이 당분을 알코올과 이산화탄소로 분해하는 것일까? 옛날 사람들은 효모 성분의 실체를 잘 알진 못했지만 이 성분을 일단 '효소'라고 부르기 시작했다. 이후 소화 효소를 포함하여 엄청나게 다양한 효소가 있음을 알게 되었고, 생물체 내에서 일어나는 각종 물질대사가 효소의 작용으로 발생한다는 사실도 발견했다.

생물이 생명을 유지하기 위해서는 흡수한 영양소를 분해하고, 필요한 물질을 합성하는 등 체내 화학 반응이 끊임없이 일어나야 한다. 이러한 화학 반응은 효소 없이는 신속하게 작용하기 어렵다. 자신은 변하지 않고, 물질의 반응 속도를 빠르게 또는 느리게 해주는 물질을 '촉매'라고 한다. 일반적으로 촉매는 자연적 반응보다 생성물을 쉽게 얻을 수 있도록 도와준다. 생명체 내 화학 반응이 체온 범위 내에서 다른 물질이 없어도 신속하게 일어날 수 있는 것은 촉매 역할을 하는 효소가 있기 때문이다.냉장고에 음식물을 오래 보관해도 그 속에 든 탄수화물, 단백질들의 영양소가 당이나 아미노산 등 저분자 상태 물질로 잘 분해되지 않는다. 하지만 우리가 음식을 먹었을 때는 소화관 속에 있는 소화 효소 작용을 받아 음식물 속에 든 탄수화물, 단백질 등의 영양소가 단시간 내에 빠른 속도로 당 혹은 아미노산으로 분해된다.

개구리가 반응물이라는 연못에서 생성물이라는 연못으로 넘어가는 상황을 생각해 보자. 두 연못 사이의 장벽을 넘어가는 것을 '반응'이라고 보면 장벽은 반응 분자들이 화학 반응을 일으키기 위해 필요한 최소한의 운동에너지 즉, 활성화 에너지에 해당한다. 두 연못 사이의 장벽 높이가 낮을 때 더 많은 개구리가 반응물의 연못에서 생성물의 연못으로 넘어가는 것처럼 활성화 에너지가 낮아지면 더 많은 반응 분자가 화학 반응을 일으킨다. 화학 반응이 일어날 때 활성화 에너지를 낮춰 반응을 촉진하는 물질을 '촉매'라고 하는데, 특히 생물체 내에서 촉매 역할을 하는 물질이 바로 효소다.

효소는 생체 반응에 필수적인 촉매 역할을 하며, 인간의 생명 활동에 많이 이용된다. 칼이나 날카로운 물체에 손을 베인 경우 상처를 그대로 두면 피가 계속 흐르고, 공기 중 병균이 침입하여 점점 악화된다. 이때 체내에 있는 효소가 상처 주위에 모여들어 화학 반응을 일으켜 출혈을 막고, 새로운 세포를 만든다.

효소는 낮은 온도에서 일시적으로 그 기능이 정지되지만 온도를 높이면 그 기능이 원상태로 회복된다. 이 원리를 이용하여 병에 걸린 환자를 냉동 보관했다가 병의 치료가 가능할 때 살려내는 연구도 진행 중이다. 이제까지 알려진 대부분의 효소들은 아미노산으로 만들어진 단백질이다. 유전자가 중요한 것은 수많은 효소 단백질을 만드는 정보를 가지고 있기 때문이다. 단백질 효소가 어떻게 세포 내에서 화학 반응의 촉매로 작용하는지에 대한 의문은 많은 과학자들의 오랜 연구 대상이었으며, 효소 기능의 연구는 생명 현상을 근본적으로 이해하는 데 많은 도움을 주었다. 효소는 화학 촉매에 비해 기질 특이성이 뛰어나고, 반응 속도가 빠르다. 그리고 생명체에 필요한 다양한 물질을 부산물 없이 가장 효율적으로 생산할 수 있다. 효소 반응을 이용하는 경우 다단계 복잡한 공정을 거쳐야 하거나 화학 합성 방법으로 생산이 어려운 화합물을 매우 경제적으로 생산할 수 있다. 효소 반응은 앞으로 정밀 화학, 의약품, 식품, 환경, 에너지 분야 등에서 매우 광범위하게 사용될 전망이다.

초고온성 미생물의 발견은 생체 촉매 기술을 화학 공업 분야로까지 확대하는 계기가 될 것이다. 초고온성 미생물에서 얻어지는 생체 촉매는 100도 이상 고온에서 안정화되고, 유기 용매나 산, 염기를 첨가해도 쉽게 불활성화되지 않는다. 안정화된 생체 촉매를 활용해 기존 화학 공정을 환경친화적 생물 공정으로 대체할 수 있을 것이다.