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플라스틱 제조에서부터 분해까지 ‘미생물’로 가능

바이오 플라스틱 산업 성장 친환경적·플라스틱 재활용 기대

[산업일보]
방향족 폴리에스테르는 강도 및 열안정성이 우수해 병·식료품 포장재 등에 다양하게 사용되고 있는 중요한 원료다. 대표적인 방향족 폴리에스테르로는 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트: PET병 원료)가 있다. 현재 방향족 폴리에스테르는 촉매 등을 사용하는 복잡한 공정을 통해 생산되기 때문에 비효율적일 뿐만 아니라 친환경적이지 못한 단점을 가지고 있었다. 따라서 환경에 부담을 주지 않는 지속가능한 친환경 생산 시스템 개발이 필요로 했다.
국내 한 연구진은 비식용 바이오매스를 이용한 환경 친화적 방향족 폴리에스테르 생산 기술을 개발하기 위해, 미생물 유래 고분자인 폴리하이드록시알카노에이트의 생합성 시스템을 기반으로, 고분자 생산에 핵심이 되는 코에이-전이효소(CoA-transferase)의 기존에 밝혀지지 않은 신규 활성을 규명했고 이를 활용해서 다양한 종류의 방향족 폴리에스테르를 생산했다.

이 과정에서 연구진은 외래 대사경로의 도입과 조작만으로는 방향족 폴리에스테르의 생산이 효율적이지 않았기 때문에 시스템 수준의 대사흐름 증대기술을 필요로 했다. 이에 컴퓨터 기반 인실리코 시뮬레이션을 이용한 대장균 균주의 대사흐름분석 기법을 활용해 시스템 수준의 대사회로 재설계를 진행했다.

시스템 대사공학과 합성생물학 기술을 접목시킨 전략을 사용해 비천연 고분자인 방향족 폴리에스테르를 효율적으로 생산하는데 최초로 성공했다. 해당 시스템을 통해 다양한 종류의 방향족 폴리에스테르의 생합성에도 성공함으로써, 이번 연구에서 개발된 환경친화적 생합성 시스템의 기술적 우수성을 증명했다.
플라스틱 제조에서부터 분해까지 ‘미생물’로 가능
대장균을 이용한 방향족 폴리에스테르 생산 전체 개념도/PET 분해 모식도 및 PET 분해 신규 효소(PETase) 단백질 결정 구조와 원리 규명 관련 전체 개념도

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀이 최근 친환경 바이오매스를 활용해 플라스틱을 생산하는 기술과 폐플라스틱을 재활용할 수 있는 기술을 각각 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.

기후 변화 문제가 심각해짐에 따라 국제적으로 ‘지속 가능한 친환경 화학 산업을 위한 연구개발(R&D)’이 활발한 가운데, 두 연구성과는 미생물발효를 통해 방향족 폴리에스테르를 생산하는 기술을 세계 최초로 개발하고, 더 나아가 기존 플라스틱을 재활용해 친환경 플라스틱을 생산할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

고분자인 방향족 폴리에스테르는 원유(crude oil)로부터 복잡한 공정을 거쳐야 얻을 수 있기 때문에 친환경적이지 않다. 그렇지만, 페트병 생산의 원료로서 우리 생활에 필수적인 물질이다.

한국과학기술원(KAIST) 이상엽 교수 연구팀과 이화여대 박시재 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 개량된 대장균을 직접 발효해 비식용(非食用) 바이오매스로부터 방향족 폴리에스테르를 생산할 수 있는 친환경 원천기술을 세계 최초로 개발했다.

연구팀은 컴퓨터 기반 가상세포를 이용한 대장균 균주의 대사흐름분석 기술을 적용한 시스템 대사공학기법을 활용해, 고분자 생산에 핵심인 코에이-전이효소(CoA-transferase)의 기존에 밝혀지지 않은 반응을 규명하고, 이를 활용해 다양한 종류의 방향족 폴리에스테르를 생산했다.

시스템 대사공학과 합성생물학 기술을 접목한 전략을 사용해 비천연 고분자인 방향족 폴리에스테르를 친환경적이면서도 효율적으로 생산하는데 성공함으로써, 향후 바이오 플라스틱 산업 성장에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

연구와 별도로, 이상엽 교수 연구팀과 경북대학교 김경진 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 기존 알려진 효소보다 월등한 PET 분해능력을 가지는 효소의 구조를 밝히고, 이 효소의 우수한 PET 분해 원인 규명 및 PET 분해 활성이 증가된 변이 효소 개발까지 성공했다.

PET는 합성 플라스틱으로 자연 분해가 어려워 소각, 매립하기 때문에, 이 과정에서 여러 환경 문제를 야기한다. 따라서 친환경적인 PET 분해를 위해 미생물이 가진 효소를 이용하기 위한 연구개발이 활발하다.
기존의 미생물 기반 PET 분해는 시간?비용적인 측면에서 비효율적이었다. 이를 극복하기 위해 PET를 고효율로 분해할 수 있는 효소를 개발해 왔는데, 2016년에 일본 연구진은 Science 저널에 Ideonella sakaiensis균의 높은 PET 분해능력을 갖는 신규 효소(PETase)를 발표한 바 있다.

연구팀은 이 신규 효소(PETase)가 기존 알려진 효소 대비 높은 PET 분해능을 가지는 원인을 규명하고, 이를 활용해 고효율의 효소 개발이 가능하도록 Ideonella sakaiensis의 PETase 효소의 단백질 결정 구조를 밝혔다.
이 과정에서 컴퓨터 기반 도킹 시뮬레이션을 통해 PETase 효소와 PET를 모사하는 화합물과의 도킹에 성공해 결합 구조를 제시할 수 있었다.

또한 특정 부위 돌연변이 유도를 통해 PET 분해 기작에 중요한 역할을 하는 잔기(residue)를 밝히고, 효소 엔지니어링을 진행해 PET 분해 활성이 증가된 PETase 변이 효소 개발까지 성공했다.

이 연구도 미생물을 활용한 친환경 플라스틱 재활용 산업을 가속화할 수 있다는 점에서 지속가능한 플라스틱 산업에 중요한 의미를 가진다.

이상엽 교수는 “미생물로 합성 플라스틱을 대체하는 플라스틱을 생산하고, 기존 화학적으로 생산된 플라스틱을 다시 미생물로 분해하는 기술이 개발됐으므로, 친환경 화학산업으로의 재편이 가능해질 것“이라고 말했다.
첫 번째 연구는 과기정통부 글로벌프런티어사업의 ‘지능형 바이오 시스템 설계 및 합성 연구 과제’와 기후변화대응 기술개발사업의 융합 연구를 통해, 두 번째 연구는 기후변화대응 기술개발사업의 '바이오 리파이너리를 위한 시스템 대사공학 기술개발 과제'를 통해 추진됐다.

한편 김경진 교수는 X-ray 결정학 기술을 통한 단백질 3차원 입체 구조분석을 통해 생명체의 기능을 담당하는 여러 단백질 복합체의 분자적 기작을 해석하는 구조생물학의 전문가다. 구조 분석을 통한 효소공학과 생화학적 융합 연구를 통해 ▲생분해성고분자 연구 ▲필수 아미노산인 라이신과 메티오닌의 합성경로 효소 개량 ▲인간 유전자의 스플라이싱 기작 관련 복합체 연구 ▲나일론의 원료가 되는 다이아민 생산 효소 개발 ▲일산화탄소 및 이산화탄소의 유용물질 전환 효소 연구 ▲차세대 바이오 연료인 부탄올의 고효율 생산 효소 개량 ▲당 분해 및 합성 단백질 연구 ▲최근에는 폴리아릴 고분자 분해 효소의 매커니즘 분석과 개량 연구 등, 다양한 분야에 대해 구조생물학과 효소공학 및 분자생화학을 접목해 주목 받는 연구 성과를 내고 있다.

간질 등 뇌기능 이상 질환 유발 기작을 규명해 2009년 매스컴에 이름을 알린 바 있으며, 이로 미래원천기술개발사업 우수 연구 성과 및 한국분자세포생물학회 Blue ribbon lecture award 등을 수상했다. 경북대학교에 부임한지 약 5년 동안 단백질 입체 구조에 관한 연구를 집중적으로 수행해 그간 국내외 학술지에 연구 논문 35편을 발표했으며, 15건의 특허를 국내외에 등록했다. 15년 한국미생물생명공학회로부터 학술장려상을 수상했으며, 최근에는 카이스트 이상엽 교수팀과 함께 차세대에너지 바이오부탄올 원천기술을 개발해 언론에 알려진 바 있다. 최근 경북대학교 미생물연구소장으로서 2017년 독도 학술 심포지엄을 개최해 독도 영유 수호의 학술적 근거에도 기여하고 있다.
이상미 기자 sm021@kidd.co.kr

반갑습니다. 편집부 이상미 기자입니다. 산업 전반에 대한 소소한 얘기와 내용으로 여러분들을 만나겠습니다.

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