지금 생산되고 있는 플라스틱의 거의 대부분은 석유화학 제품입니다. 석유나 천연가스에서 나프타(Naphtha)를 추출하고 이를 분해하여 플라스틱의 기본 원료인 에틸렌, 프로필렌, 스티렌 등의 단량체(monomer)를 만들고 이것을 합성하여 다시 중합체(polymer), 즉 우리가 일반적으로 말하는 플라스틱을 만듭니다.

 

플라스틱은 편리한 소재이지만 환경오염 물질이기도 합니다. 제조 과정에서는 이산화탄소는 물론 휘발성 유기화합물, 중금속 등 환경오염 물질이 배출됩니다. 또 대부분의 플라스틱은 생분해되지 않고 시간이 지날수록 점점 더 잘게 쪼개져 미세플라스틱 혹은 초미세플라스틱으로 물리적 형상만 바뀌어 생태계에 위협적인 존재가 됩니다.

 

기존의 석유화학 기반의 화학물질 생산공정이 기후변화, 환경오염과 같은 여러 가지 심각한 문제를 일으키기 때문에, 그 대안으로 엔지니어링 된 미생물을 통하여 여러 가지 화학물질들을 생산하는 연구들이 많이 진행되고 있습니다. 많은 화학물질이나 고분자를 미생물을 통해 생산할 수 있지만, 아직까지 플라스틱을 ‘생산’하는 미생물은 없었습니다. 그런데 국내 연구진이 플라스틱의 한 종류인 폴리에스터 아미드를 생물학적으로 만들어내는 방법을 개발해 관심을 끌고 있습니다.

 

KAIST 이상엽 특훈 교수와 채동언 교수가 이끄는 연구팀은 포도당을 원료로 유용한 고분자화합물을 생산할 수 있도록 박테리아 균주의 유전자 조작에 성공했습니다. 연구팀이 개발한 시스템은 박테리아가 특정한 영양 조건에 놓였을 때 활용하는 효소를 조작해 다양한 종류의 고분자를 생산할 수 있다는 것을 실험으로 증명했습니다.

 

연구진은 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoates, PHA)를 생성하는 박테리아에 주목했습니다. PHA는 박테리아 세포가 충분한 탄소와 에너지를 갖고 있지만, 세포 성장과 분열에 필수적인 몇 가지 주요 영양소가 결핍될 때 만들어집니다. 이런 환경에서는 세포가 소량의 탄소를 포함하는 작은 분자들을 연결하여 더 큰 중합체를 만듭니다. 이 미생물이 만들어낸 고분자화합물은 석유 기반 플라스틱과 달리 자연 상태에서 완전히 분해될 수 있는 친환경 소재입니다.

 

연구에 따르면, 이 고분자를 합성하는 PHA 합성효소(PHA synthase)는 산소 원자를 통해 분자들을 연결합니다. 하지만 아미노산에서 볼 수 있듯이 질소 원자를 통해 결합하는 유사한 화학적 연결도 가능합니다. 문제는 이러한 반응을 촉진하고 매개하는 자연적으로 존재하는 효소를 몰랐다는 것입니다.

 

연구팀은 자연계에 널리 분포하며, 토양, 물, 동물의 내장 등에 존재하는 클로스트리디움(Clostridium) 속 박테리아에서 유래한 효소를 선택했습니다. 이 효소는 본래 특정 화합물을 조효소 A(Coenzyme A)와 연결하는데, 이 효소는 특정 분자와만 결합하여 반응을 촉진하거나 신호를 전달하는 능력인 기질 선택성(substrate specificity)이 낮습니다. 달리 말하면, 다양한 종류의 분자들과 반응할 가능성이 높습니다. 실험 결과 이 효소는 아미노산을 조효소 A에 연결하는 역할을 무난히 수행했습니다.

 

연구팀은 다음으로 환경 내성이 강한 막대 모양 세균 슈도모나스(Pseudomonas) 속 박테리아에서 나오는 효소를 사용했습니다. 이 효소에는 네 가지 돌연변이가 추가되어 있어서 원래보다 더 다양한 분자를 반응 기질(Reaction Substrate)로 활용할 수 있었습니다. 시험관 실험에서 이 시스템은 성공적으로 작동했고 아미노산들이 중합되어 고분자를 형성하는 것이 확인되었습니다.

 

그러나 이 시스템을 대장균(E. coli) 세포 안에서 작동시키는 것이 과제였습니다. 실험 결과, 두 개의 효소 중 하나가 대장균에 약한 독성을 띠어 성장 속도를 저해하는 것으로 나타났습니다. 이에 연구진은 해당 단백질을 견딜 수 있도록 대장균 균주를 실험실에서 변이시켜 두 개의 효소를 발현하는 대장균이 소량의 아미노산 고분자를 생성하는 데 성공했습니다.

 

하지만 박테리아의 총중량 대비 폴리머 생산 수율이 현저히 낮았습니다. 이에 연구팀은 대장균 균주에 몇 가지 효소를 추가하여 박테리아 총중량의 50퍼센트 이상을 폴리머로 전환하는 데 성공했습니다.

 

연구진이 개발한 시스템은 매우 수용성이 높아 다양한 화학물질을 폴리머에 포함할 수 있습니다. 따라서 용도에 맞춘 기능성 플라스틱을 제조할 가능성을 보여주었습니다.

 

그러나 본격적인 상용화까지는 두 가지 큰 과제가 남아 있습니다. 첫번째는 생화학적 반응을 통해 폴리머가 생성되는 과정을 완전히 제어하는 것입니다. 두번째는 비록 이번 연구에서는 발효기를 이용하여 상당히 높은 수준의 농도 (55 g/L)의 고분자를 생산할 수 있는 것을 보여주었지만 추후 산업화를 수준으로 수율을 높이는 것입니다. 세번째는 생산 후에도 대장균 안에 들어 있는 poly(ester amide)를 효과적이면서 싼 가격에 추출할 수 있는 정제과정 등 여러 가지 공정을 개발하는 연구가 필요합니다.

 

이번 연구는 석유 기반 플라스틱을 대체할 바이오 기반 플라스틱 제조 기술의 가능성을 열었다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 석유화학 산업 기반에 의존하지 않고도 플리에스터 아마이드(플라스틱)을 재생 가능한 바이오 기반 화학산업을 통해 만들 수 있는 가능성을 세계 최초로 제시한 것으로서 앞으로 생산량과 생산성을 더욱 높이는 연구를 이어갈 계획”이라 말했습니다.

 

연구 결과는 3월 17일 네이처 화학 생물학(Nature Chemical Biology)에 게재되었습니다. 

 

 

서경주 객원기자 kjsuh57@naver.com