전 세계가 플라스틱 폐기물로 골머리를 앓는 가운데, 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 생분해성을 가지면서 기존 페트병을 대체할 미생물 기반 플라스틱 생산에 성공했다.
KAIST는 이상엽 생명화학공학과 특훈교수팀이 시스템 대사공학을 이용해 PET(페트병) 대체 유사 방향족 폴리에스터 단량체를 고효율 생산하는 미생물 균주 개발에 성공했다고 7일 밝혔다.
유사 방향족 다이카복실산은 고분자로 합성시 방향족 폴리에스터(PET)보다 나은 물성 및 높은 생분해성을 가지고 있어 친환경적인 고분자 단량체(고분자 재료)로 주목받고 있다.
화학적인 방법을 통한 유사 방향족 다이카복실산 생산은 낮은 수율과 선택성, 복잡한 반응 조건과 유해 폐기물 생성이라는 문제점을 지니고 있다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 대사공학을 활용, 아미노산 생산에 주로 사용되는 세균인 코리네박테리움에서 2-피론-4,6-다이카복실산과 4종의 피리딘 다이카복실산(2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-피리딘 다이카복실산)을 포함한 5종 유사 방향족 다이카복실산을 고효율 생산하는 미생물 균주를 개발했다.
연구팀은 대사공학 기법을 통해 여러 유사 방향족 다이카복실산의 전구체로 사용되는 프로토카테츄산의 대사 흐름을 강화하고 전구체의 손실을 방지하는 플랫폼 미생물 균주를 구축했다.
이를 기반으로 전사체 분석을 통해 유전자 조작 타겟을 발굴해 76.17g/ℓ 2-피론-4,6-다이카복실산을 생산했고, 3종의 피리딘 다이카복실산 생산 대사회로를 신규 발굴 및 구축해 2.79g/ℓ의 2,3-피리딘 다이카복실산, 0.49g/ℓ의 2,4-피리딘 다이카복실산, 1.42g/ℓ의 2,5-피리딘 다이카복실산을 생산했다.
또 연구팀은 2,6-피리딘 다이카복실산 생합성 경로 구축 및 강화를 통해 15.01g/ℓ 생산을 확인하며 총 5종의 유사 방향족 다이카복실산을 고효율로 생산하는 데 성공했다.
결론적으로, 2,4-, 2,5-, 2,6-피리딘 다이카복실산을 세계 최고 농도로 생산하는 데 성공했다. 특히 2,4-, 2,5-피리딘 다이카복실산은 기존에 극미량 (mg/ℓ) 생산되던 것을 g/ℓ 규모까지 달성했다.
교신저자인 이상엽 특훈교수는 “미생물을 기반으로 유사 방향족 폴리에스터 단량체를 고효율로 생산하는 친환경 기술을 개발했다는 점에 의의가 있다”며 “이번 연구가 앞으로 미생물 기반의 바이오 단량체 산업이 석유 화학 기반의 화학산업을 대체하는 데 일조할 것”이라고 밝혔다.
연구 결과는 미국 국립과학원 회보(PNAS)에 10월 30일 게재됐다.
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 '바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발' 과제 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
