미생물로 플라스틱 만들고, 폐플라스틱 분해

이상엽 KAIST 교수 연구팀, 친환경적 플라스틱 재활용 가능성 제시
미생물발효를 통해 플라스틱을 만들고 기존 플라스틱을 재활용해서 친환경 플라스틱을 생산할 수 있는 길이 열렸다.

과학기술정보통신부(장관 유영민)는 이상엽 KAIST 생명화학공학과 교수 연구팀이 친환경 바이오매스를 활용해 플라스틱을 생산하는 기술과 폐플라스틱을 재활용할 수 있는 기술을 각각 개발했다고 30일 밝혔다.

방향족 폴리에스테르는 강도와 열 안정성이 우수해서 병이나 식료품 포장재 등에 사용되는 중요한 원료이다. 대표적인 사례로 PET병의 원료인 PET가 있다.

고분자인 방향족 폴리에스테르는 원유로부터 복잡한 공정을 거쳐야 얻을 수 있다는 점에서 친환경적이지 않다. 하지만 페트병의 생산 원료로서 생활에 필수적인 물질로 알려져 있다.

이상엽 KAIST 교수 연구팀과 박시재 이화여대 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 개량된 대장균을 직접 발효했다. 이어 비식용(非食用) 바이오매스로부터 방향족 폴리에스테르를 생산할 수 있는 친환경 원천기술을 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.

연구진은 비천연 고분자인 방향족 폴리에스테르를 친환경적이고 효율적으로 생산할 수 있다는 점에서 바이오 플라스틱 산업 성장에 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다.

위 연구와 별도로, 이상엽 교수 연구팀과 김경진 경북대학교 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 기존에 알려진 효소보다 월등한 PET 분해능력을 갖는 효소의 구조를 알아냈다. 이어 이 효소의 우수한 PET 분해 원인을 규명하고, PET 분해 활성이 증가된 변이 효소 개발까지 성공했다.

PET는 합성 플라스틱으로 자연 분해가 어려워 소각, 매립하기 때문에, 이 과정에서 여러 환경 문제를 야기한다. 따라서 친환경 PET 분해를 위해 미생물이 가진 효소를 이용하기 위한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.

기존의 미생물 기반 PET 분해는 시간․비용적인 측면에서 비효율적이었다. 이를 극복하기 위해 PET를 고효율로 분해할 수 있는 효소가 개발되어 왔다.

지난 2016년 일본 연구진은 사이언스(Science) 저널에 이데오넬라 사카이엔시스(Ideonella sakaiensis)균의 높은 PET 분해능력을 갖는 신규 효소(PETase)를 발표한 바 있다.

연구팀은 이 신규 효소가 기존에 알려진 효소 대비 높은 PET 분해능을 가지는 원인을 규명하고, 이를 활용해 고효율의 효소 개발이 가능하도록 이 균의 신규 효소에 대한 단백질 결정 구조를 알아냈다. 

이상엽 교수는 "미생물로 합성 플라스틱을 대체하는 플라스틱을 생산하고, 기존에 화학적으로 생산된 플라스틱을 다시 미생물로 분해하는 기술 개발을 통해 친환경 화학산업으로의 재편이 가능해질 것"이라고 말했다.

한편, 미생물로 방향족 폴리에스테르를 생산하는 기술개발 연구는 과기부 글로벌프런티어사업의 '지능형 바이오 시스템 설계 및 합성 연구 과제'와 기후변화대응 기술개발사업의 융합 연구를 통해 수행됐다.

PET 분해 성능이 우수한 효소 개발 연구는 기후변화대응 기술개발사업의 '바이오 리파이너리를 위한 시스템 대사공학 기술개발 과제'의 일환으로 추진됐다.

연구결과는 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 이번 달 8일자와 26일자로 각각 게재됐다.
대장균을 이용한 방향족 폴리에스테르 생산 전체 개념도.<자료=과학기술정보통신부 제공>대장균을 이용한 방향족 폴리에스테르 생산 전체 개념도.<자료=과학기술정보통신부 제공>
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