화석연료로 만드는 플라스틱은 생산 및 폐기 과정에서 환경오염을 야기하기 때문에 대안으로 생분해성 친환경 고분자물질이 대두되고 있다.
특히 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 생분해성과 생체적합성이 우수해 플라스틱의 대체제로 주목받으며, 포장재나 의료용품 등에 활용되고 있다.
그러나 천연 PHA는 내구성과 열적안정성이 낮아 다양한 물성을 충족시키기 어렵고, 생산농도가 낮아 상업적 활용에 한계가 따른다.
이에 대안으로 열적·기계적 물성이 우수한 방향족 폴리에스터가 방향족 고분자를 대체할 수 있을 기대 받고 있다.
미생물로 플라스틱 환경오염 해결
KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 방향족 폴리에스터를 고효율로 생산하는 미생물 균주 개발에 성공했다.
지금까지 방향족 단량체의 중합이 PHA 생산에서 병목현상으로 지목됐지만, 해당 반응을 촉매하는 PHA 합성효소의 구조와 반응 메커니즘이 정확히 밝혀지지 않아 이와 관련된 효소 개량에 어려움이 있었다.
연구팀은 대사공학을 이용해 대장균 내 방향족 단량체인 페닐젖산(PhLA) 생합성 회로의 대사흐름을 강화하고 대사회로를 조작해 세포 내부에 축적된 고분자 분율을 높였다.
이를 컴퓨터 시뮬레이션으로 PHA 합성효소 구조를 예측하고 기능과의 상관관계를 바탕으로 효소를 개량했다.
이에 따라 연구팀은 페닐젖산 단량체의 증산을 위한 대사회로 최적화뿐 아니라 여러 천연 PHA 생산 미생물로부터 ‘외래 파신(Phasin) 단백질’을 대장균 균주에 도입·선별하고, 그 발현량을 조절해 파신 단백질이 천연 PHA뿐 아니라 비천연 PHA 합성을 증가시키는 데도 도움을 준다는 사실을 밝혀냈다.
파신은 PHA 생산 관련 단백질로, 작은 입자 형태의 PHA 표면에서 세포질 환경과 상호작용하면서 고분자 축적, 낱알 수 및 크기 조절에 관여하고, 미생물 성장 조절과 스트레스 보호기능도을 갖는다.
실제 연구팀은 발효 최적화로 12.3±0.1g/L의 세계 최고 농도의 고효율로 폴리(PhLA)를 생산하고, 30ℓ 규모 유가식 발효로 폴리에스터를 생산해 산업화 가능성을 입증했다.
또 효소의 삼차원 입체구조를 비슷한 단백질 구조를 바탕으로 새로운 단백질의 삼차원 구조를 예측하는 ‘호몰로지 모델링’으로 예측하고, 이를 분자도킹 시뮬레이션과 분자동역학 시뮬레이션으로 단량체 중합 효율이 향상된 변이 효소를 만들었다.
이번 연구의 공동 제1저자인 이영준 박사는 “이번 연구는 재생 가능한 바이오매스로부터 얻어지는 포도당을 탄소원으로 사용해 방향족 폴리에스터를 고효율로 생산하는 대장균 균주를 개발한 것”이라며 설명했다.
또 이상훈 특훈교수는 “이 기술이 플라스틱으로 인한 환경오염과 기후위기 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.
한편 이번 연구는 이영준 박사와 강민주 석사과정이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 셀(Cell)이 발행하는 `생물공학 동향(Trends in Biotechnology)' 8월 21일자에 게재됐다.(논문명 : Microbial production of an aromatic homopolyester)
