한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 나일론 핵심 원료를 기존 석유화학 공정이 아닌 미생물기반으로 생산할 수 있는 친환경 기술을 개발했다.
KAIST(총장 이광형)는 이상엽 생명화학공학과 특훈교수팀이 재생 가능 탄소원인 '글리세롤'로부터 '나일론 6' 및 '나일론 6,6'의 핵심 단량체(고분자 구성 기본 분자) 3종(아디픽산·헥사메틸렌다이아민·엡실론 카프로락탐)을 생산할 수 있는 대장균 기반 모듈형 플랫폼을 개발했다고 31일 밝혔다.
시스템 대사공학(미생물 대사 경로를 설계·최적화해 물질 생산을 극대화하는 기술)으로 이룬 성과다.
나일론 6는 유연해 의류·필름 등에 사용되며, 나일론 6,6은 강도·내열성이 우수해 자동차·기계 부품 등에 활용된다.
연구 핵심은 생산 경로를 상·하류 균주 두 개로 나누고, 서로 다른 역할을 하는 대장균이 이를 나눠 맡도록 한 점이다. 상류 균주는 글리세롤로부터 아디픽산을 생산하고, 하류 균주는 이를 다시 헥사메틸렌다이아민 또는 엡실론 카프로락탐으로 전환하도록 설계됐다. 이를 통해 연구팀은 나일론 6,6의 핵심 원료인 아디픽산과 헥사메틸렌다이아민, 나일론 6의 핵심 원료인 엡실론 카프로락탐을 하나의 통합 플랫폼에서 생산하는 데 성공했다.
연구진은 생산 효율을 높이고자 카복실산 환원효소와 트랜스아미나아제를 비교·검증해 최적의 조합을 적용했고, 이를 통해 헥사메틸렌다이아민 생산성을 향상시켰다. 또 엡실론 카프로락탐 생산 과정에서는 여러 기능을 결합한 융합효소를 설계해 반응 효율을 높였다.
상류 모듈에서는 생합성 경로를 재구성하고, 인공지능(AI) 기반으로 핵심 효소 성능을 개선해 생산량을 높였다. 그 결과 발효 공정에서 아디픽산을 6그램 퍼 리터(g/L) 생산하는 데 성공했다.
또 연구팀은 두 종류의 대장균을 동시에 넣지 않고, 먼저 아디픽산을 충분히 만든 뒤 두 번째 균주를 나중에 투입하는 '지연 접종(시간차 공배양)' 전략도 적용했다. 이 전략을 유가 배양식(영양분을 단계적으로 공급하며 생산성을 높이는 발효 방식) 발효 공정에 적용한 결과, 글리세롤만을 사용해 헥사메틸렌다이아민 230mg/L, 엡실론 카프로락탐 808마이크로그램 퍼 리터(㎍/L)를 생산했다. 이는 글리세롤에서 직접 생산한 사례 가운데 세계 최고 수준 성과다.
이번 기술은 석유화학 공정에 의존하던 나일론 원료를 바이오 기반으로 생산할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 향후 AI 기반 효소 설계와 추가적인 시스템 대사공학을 접목해 생산성을 더욱 높이고, 다양한 고분자 원료 생산으로 확대할 계획이다.
이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 나일론 6와 나일론 6,6 생산에 필요한 핵심 단량체를 재생 가능한 탄소원으로부터 생산할 수 있는 모듈형 미생물 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “앞으로 효소와 대사 흐름을 더욱 고도화해 생산성을 높이고, 다양한 바이오 기반 고분자 원료를 지속가능하게 생산할 수 있는 핵심 플랫폼으로 발전시켜 나가겠다”고 말했다.
안다희 생명화학공학과 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 '미국국립과학원회보(PNAS)'에 4일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
