그동안 석유에서 얻었던 접착제 소재를 친환경적 방법으로 얻는 기술이 국내에서 개발됐다. 뿐만 아니라 석유계보다 높은 접착력, 열에 견디고 효소에 생분해되는 특성도 부여할 수 있었다. 미생물 소제공장을 활용한 연구성과다.
한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)은 이상엽 생명화학공학과 특훈교수팀이 대장균 유전자와 대사과정을 조절해 포도당으로부터 접착제 소재를 생산하는 '미생물 세포공장'을 개발했다고 17일 밝혔다.
미생물이 원하는 물질을 생산하도록 설계하는 시스템대사공학을 활용해 대장균 대사경로를 새롭게 설계했다. 포도당으로부터 생분해성 고분자 일종인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 계열 새로운 접착제 소재인 'poly(4HB-co-PhLA)'와 'poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)'를 생산했다.
PHA는 어떤 성분을 어떤 비율로 구성하느냐에 따라 유연성·강도·내열성 등 소재의 특성을 조절할 수 있다.
연구팀은 이를 이용해 서로 다른 특성을 갖는 4-하이드록시부티레이트(4HB)와 페닐락테이트(PhLA)를 고분자로 만들었다. 4HB는 소재를 부드럽고 잘 달라붙게 하고, PhLA는 단단함과 열에 견디는 성질을 높인다. 즉 '잘 붙는 성질'과 '열에 잘 견디는 성질'을 조합해 접착제의 성능을 조절한 것이다.
연구팀은 대장균이 포도당으로부터 4HB와 PhLA를 만들고 이를 하나의 고분자로 연결하도록 세포 내부의 대사경로를 설계했다. 쉽게 말해 대장균이라는 작은 '생산공장'에 포도당을 공급하면 접착제 소재가 만들어지도록 한 것이다.
poly(4HB-co-PhLA)는 배양액 1리터당 10.2g을, poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)는 1리터당 52.8g까지 생산했다.
연구팀은 이렇게 만든 고분자가 실제 핫멜트(열을 가하면 녹고, 식으면 굳으면서 물체를 붙이는 접착제) 접착제로 사용할 수 있는지도 시험했다. poly(4HB-co-PhLA)는 스테인리스강 전단 접착 시험에서 4.58메가파스칼(MPa)의 전단 접착력을 기록해 비교 대상으로 사용한 상용 EVA 접착제의 4.20MPa보다 높은 성능을 보였다. poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)는 목재 접착 시험에서 상용 EVA 접착제와 비슷한 수준의 성능을 나타냈다.
poly(4HB-co-PhLA)는 반복해서 녹였다가 다시 접착한 뒤에도 상당 수준의 접착력을 유지했다. PhLA 성분을 넣으면서 열에 견디는 성질도 향상되었다.
생분해 가능성도 확인했다. 지방 등을 분해하는 효소인 리파아제(Lipase)를 처리하자 고분자 표면이 손상되고 분자량과 전체 질량이 감소했다. 이는 새롭게 개발한 방향족 PHA가 효소에 의해 분해될 수 있음을 보여준다.
이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 미생물의 대사를 정밀하게 설계해 단순히 고분자를 생산하는 것을 넘어 기능성 소재를 직접 생산할 수 있음을 보여준 연구”라며 “향후 다양한 비천연 단량체와 미생물 세포공장을 활용하면 석유 기반 접착제뿐 아니라 여러 기능성 고분자를 지속 가능한 방식으로 생산하는 바이오제조 기술로 확대할 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 생명화학공학과 강민주 박사과정생, 이영준 박사, 김기배 박사가 참여한 이번 연구는 7월 20일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 온라인 공개됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
